油（套）管标准与我国压力容器用管材标准规范比对研究

油 ( 套) 管标准与我国压力容器用管材 标准规范比对研究 陈祖 志， 石坤 。 李邦宪 ( 中国特种设备检测研究院 ， 北京1 0 0 0 1 3 ) 摘要： 对油( 套) 管标准和我国压力容器用管材标准规范进行 了比对分析 ， 掌握 了油( 套 ) 管标准与 我国压力容器用管材标准规范对材料的制造方法、 化学成分、 力学性能等方面的要求之间存在 的差 异， 可 以为储气井专用钢管材料 国家标准的制定以及为企业研制储气井专用钢管提供参考。 关键词： 储 气井； 油( 套) 管； 压 力容器用钢管； 标准规范； 比对研究 中图分类 号 ： T H 4 9 ； T一 6 5 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 5 4 0 9 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 2 0 6 0 1 1 Co m p a r a t i v e Re s e a r c h o n S t a nd a r d s o f S t e e l Pi pe s f o r Us e a s Ca s i ng o r Tub i ng fo r W e l l s a n d S ta n d a r ds a n d Co de s o f Pr e s s ur e Ve s s e l St e e l Pi p e s i n Chi n a CHEN Zu z h i ， S HI Ku n， LI Ba n g x i a n ( C h i n a S p e c i a l E q u i p me n t I n s p e c t i o n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t： The c u r r e n t p a p e r c o mp a r a t i v e l y a n a l y z e d s t a n da r ds o f s t e e l p i p e s f o r us e a s c a s i n g o r t u bi n g for we l l s a n d s t a n d a r d s a n d c o d e s o f pr e s s u r e v e s s e l s t e e l p i p e s i n Chi n aT h e d i ff e r e n c e s o f ma n u f a c t u r e p r o c e s s ， c h e mi c a l c o mp o s i t i o n， me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d e t c w e r e f o u n d o u t b e t w e e n s t a n d a r d s o f s t e e l p i p e s for u s e a s c a s i n g o r t u b i n g for w e l l s a n d s t a n d a r d s a n d c o d e s o f p r e s s u r e v e s s e l s t e e l p i p e s i n Ch i n a ， w h i c h w o u l d p r o v i d e a c e r t a i n g u i d a n c e for e s t a b l i s h i n g s t a n d a r d o f s t e e l p i p e for g a s s t o r a g e we l l a n d for d e v e l o pi n g s t e e l p i pe e s p e c i a l l y u s e d i n g a s s t o r a g e we l 1 Ke y wo r d s ： g a s s t o r a g e w e l l ； s t e e l p i p e s for u s e a s c a s i n g o r t u b i n g for we l l s ； p r e s s u r e v e s s e l s t e e l p i p e s ； s t a n da r d s a n d c o d e s； c o mp a r a t i v e r e s e a r c h 0引言 储气井是一种新型储存容器， 其典型结构如 图 1 所示 ， 其由将井筒 、 井 E l 装置及井底装置组 成的金属本体竖埋于地下而形成。储气井井筒由 5二 3 O根井管及相应数量的接箍通过螺纹连接依 次串联而形成 ， 每根井管的长度为 81 1 m， 因此 储气井的总埋地深度可达数十乃至数百米。井口 装置露出地面 3 0 05 0 0 m m， 外接进 、 排气管及排 基金项 目： 国家科 技支撑 计划项 目( 2 0 1 1 B AK 0 6 B 0 3 ) ； 国家质检总局科技计划项 目( 2 0 1 1 Q K 0 2 9 ) 第 2 9卷第 6期 压 力 容 器 总第 2 3 5 期 污管。储气井具有 占地面积小 、 安全可靠性高 、 经 济性良好等优点， 因此其一经提出， 立即在储气设 备行业引起 广泛关注 。目前 ， 在全 国各地建起的 储气井数量保守估计 已超过 6 0 0 0口， 主要用于天 然气汽车加气站 中储存压缩天然气， 也有一部分 用于民用调峰站和企业储气库 中。尽管 已经在工 程上大量应用 ， 但储气井的用材至今 尚不规范 ， 其 中井筒钢管材料方面表现得尤为突出。 井 口装置 表层护 管 井 管 接 箍 固井水 泥环 扶 正器 井底 装置 图 1 储气井典型结构示意 早期阶段 ， 人们普遍认 为储气井埋在地下会 很安全 ， 加上具有一些独特的优势 ， 储气井在技术 尚未成熟、 安全保障技术体系尚未建立起来的情 况下 ， 就在天然气 汽车加气站 中大量投入使 用。 但是 ， 随着储气井用量的增多和使用时间的增长 ， 人们逐渐发现储气井并 非像原来 想象 的那 样安 全 ， 首先是它先后发生 了几起影 响恶劣 的安全事 故 ， 其中 2 0 0 6年 ， 四川宜宾某 加气站 内的一 口储 气井 的 1 0 0多米长的井筒管串突然从地下飞出地 面至空中， 然后落到 3 0 0 m开外的地方， 虽侥幸未 造成人员伤亡 ， 但造成数百万元经济损失 。此外 人们还发现 ， 大量储气井在使用不长时间后 即出 现了严重腐蚀 、 井筒上窜 、 井筒下沉 、 泄漏等安全 隐患 。 随着储气井问题的出现， 其安全 问题也逐渐 得到有关各方特别是国家安全监管部门的重视。 2 0 0 8 年底， 国家质检总局发布了 关于加强地下 储气井安全监察工作的通知 ( 质检办特 2 0 0 8 6 3 7号文件) ， 要求对储气井的材料 、 设计 、 制造及 使用等各环节进行规范管理。 储气井的原形来 自石油钻采 ， 其井筒钢管最 初是直接采用油 气井所用 的油 ( 套 ) 管材料 ， 后 来 ， 有钢管制造企业在油 ( 套 ) 管基础上通过降低 S ， P含量 和增 加屈强 比要求及提 高 冲击功指 标 等 ， 提出了储气井“ 专用 ” 钢管 ， 2 0 0 2年发布的石 油行业标准 S Y T 6 5 3 5 i2 0 0 2 中强制要求使用 的材料 T P 8 0 C Q J就是某企业标准 中的材料。 目 前 ， 在用储气井所用 的井筒钢管材料或者直接为 油( 套 ) 管 材料 ， 或者是按 照企业标 准生产 的材 料 ， 少 数 甚 至 是 两 者 的 混 用。按 照 质 检 办 特 2 0 0 8 6 3 7号文件的要求， 储气井的用材应满足 压力容器用材的要求 ， 这样一来 ， 直接将油 ( 套 ) 管或按企业标准生产 的钢管用于储气井 ， 就不符 合规定 。为了满足与国家法规的符合性要求 ， 解 决储气井用材上存在 的突出问题 ， 从 而保证储气 井产业的健康发展 ， 当前储气井行业 急需解决的 问题是研制符合压力容器安全技术规范要求的材 料 ， 并制定储气井材料 国家标准。 文 中通过对 油 ( 套 ) 管标准和 我国压力容器 用管材标准规范进行 比对分析 ， 掌握二者之间的 差异 ， 从而可为企业研制储气井专用钢管材料 以 及制定储气井 国家标准提供参考依据。 1 油( 套 ) 管标准及我国压 力容器用材料标准规 范现状 1 1 油( 套 ) 管标准现状 油( 套 ) 管是油管和套管 的合称 。油 ( 套 ) 管 是石油天然气勘探 开发 必不可少 的原材料 和载 体 ， 国外油 ( 套 ) 管有近百年 的发 展历史 ， 国内油 ( 套 ) 管也有五十多年 的发展历史 。经过标准工 作者多年的努力 ， 目前 ， 油 ( 套 ) 管标准体系 已基 本建立起来 ， 并随着技术进步还在不断完善。 A P I 标准体系是油( 套) 管领域占绝对领先地 位的体系 ， 它在世界范围内被广泛采用， 是事实上 的“ 国际石油工业标准” ， 国际 I S O油井管标准基 本上是以 A P I 标准为基础 制定 的。 目前 ， A P I 油 ( 套) 管标准体系是以A P I S P E C 5 C T 为核心， 包 括生产制造、 管柱设计 、 选择和评价 、 采购 、 检验 、 使用和维护( 维修 ) 等一系列标准的有机体。 我国油 ( 套 ) 管标准 的制定 主要 以石 油行 业 标准( S Y) 、 国家标准 ( G B) 为主 ， 部分油 田( 如塔 里木油 田) 也制定 了一些企业标准 ， 其中 s Y标准 S 5 油( 套) 管标准与我国压力容器用管材标准规范比对研究 V o 1 2 9 N o 6 2 0 1 2 占主要地位 。从采标情况来看 ， 虽然我 国结合油 田实际技术需求 ， 也 自行制定了一些标准， 但无论 是 G B， S Y， 还是企业标准的制定 ， 多数都是 以等 同或非等同采用 A P I 标准来制定的， 尤其是一些 基础和重要标准 ， 目前与 A P I S P E C 5 C T基本是等 同采用 。 1 2 我 国压力容器用材料标准现状 压力容器是承压设备 的一种 ， 其在承压状态 下工作 ， 并且所处理的介质为易燃 、 易爆或高温 ， 具有一定的危险性 ， 因此世界各国都将压力容器 及其材料予以强制性管理 ， 各 国根据 自己的生产 技术和管理要求制订 出了适合本国国情的相应压 力容器法规标准体系。 我国是一个压力容器制造大 国， 对特种设备 实行从设计 、 制造 、 使用 、 检验 、 修理、 改造及进 出 口全过程的安全监察和管理。我国建立了包括压 力容器在内的特种设备法规标准体系由5 个层次 构成 ： 法律一行政法规一部门规章一安全技术规 范一技术标 准。材 料方 面 ， 我 国已经形 成 了 以 特种设备安全监察条例 及相关法律法规 为准 绳 ， 以 固定式压力容器安全技 术监察规程( 以 下简称 固定 容规 ) 为基本要 求 ， 以 G B 1 5 O 一 2 0 1 0 和 J B 4 7 3 2 -2 0 0 5 E 5 3 及它们引用 的一系列 板材 、 管材 、 锻件等专用材料标准及试验和检验方 法标准为技术支撑的标准规范体 系。 2制造方法要求比对 2 1 熔 炼 方 法 压力容器安全技术规范及有关材料标准中都 对钢的熔炼方法提出了明确要求 ， 并且一般情况 下 ， 使用条件越苛刻 ， 对材料熔炼方法要求越高 ， 例如 ， G B T 3 0 8 7 -2 0 0 8 。 。 规定低压 锅炉用无缝 钢管的熔炼方法应为电炉 +炉外精炼( 或氧气转 炉 + 炉外精炼 ) ， 而 G B 5 3 1 0 -2 0 0 8 “ 规定高压锅 炉用无缝钢管的熔炼方法除了要求经过电炉 +炉 外精炼 ( 或氧气转炉 +炉外精炼 ) 外， 还需经过真 空脱气处理 。 另外 ， 压力容器标准规范对材料熔炼方法的 要求呈现越来越高的趋势 ， 如随着版本升级 ， 压力 容器标准规范对材料熔炼方法的要求不断提高。 按照 J B 4 7 3 2 -1 9 9 5和 G B 1 5 0 -1 9 9 8 的要求 ， 压力容器受压元件用钢可采用平炉 、 电炉或转炉 5 6 熔炼 ， 满足一定条件的沸腾钢板是可用于压力容 器制造 的， 而按照新 近颁 布 的 固定容规的要 求 ， 压力容器受压元件用钢必须采用氧气转炉或 者电炉熔炼的镇静钢， 对标准抗拉强度下限值大 于或者等于5 4 0 M P a 的低合金钢钢板和奥氏体 一 铁素体不锈钢钢板， 以及用于设计温度低于 一 2 0 c I = 的低温钢板和低温钢锻件 ， 还应 当采用炉外精 炼工艺 ， 按这一要求 ， 采用平炉方法熔炼 的钢材及 半镇静钢或沸腾钢就不能再用作压力容器受压元 件。又如 ， G B T 8 1 6 3 -1 9 9 9 要求 钢材采用 平 炉、 电炉或氧气转炉法进行熔炼 ， 而在 2 0 0 8版 中 要求采用 电弧炉 +炉外精炼 ， 或氧气转炉 +炉外 精炼方法 ， 或其他更高要求的方法 。 油( 套) 管产品标准 A P I S P E C 5 C T中未对材 料的熔炼方法作 出具体规定 ， 只是要求熔炼 时应 在钢中加入细化晶粒元素如铝、 铌、 钒或钛， 使钢 中含有细晶粒奥氏体组织。 熔炼方法是钢材质量优 良的源头 ， 压力容器 标准规范对用材的熔炼方法严格要求 ， 即对用材 在源头上严格要求 ， 体现了全过程质量控制 的理 念。随着技术的进步 ， 钢 的熔炼技术得 到了飞速 发展 ， 一些落后 的熔炼技术 由于没有市场逐渐退 出了历史舞台。目前 ， 我国各大型钢铁企业在技 术上和装备上都 已完成 了革新 ， 而一些小企业则 由于没有能力进行技术装备 的更新换代 ， 从 而逐 渐被淘汰。目前 ， 熔炼方法已经不是制约钢材质 量的瓶颈 ， 通过调研发现 ， 虽然 A P I S P E C 5 C T中 没有规定钢材 的熔炼方法 ， 但为了提升钢管的性 能和产品的竞争力 ， 各大钢管公司都 自觉采用性 能优 良的钢材制造油( 套) 管 。 2 2钢管的制造方法 钢管制造工艺总体上可 以分为两类 ： 焊接工 艺和无缝工艺 。在 承压设 备领域， 焊接钢管 主要 用于输送水 、 煤气 、 空气 、 油和取暖热水或蒸 汽等 一 般低、 中压力流体， 在高压场合及结构件上， 一 般都采用无缝钢管。A P I S P E C 5 C T要求在含硫 环境 中必须采用无缝钢管 ， 对焊接钢管的使用上 未有基于压力的考虑 。 材料的可焊性及焊接质量受材料的化学成分 及强度等级的影响 ， 压力容器标准规范中对焊接 钢管材料 的化学成 分提出 了严格 的限制。按 照 压力容器安全技术监察规程 ( 1 9 9 9版) ， 用于 焊接结构压力容器主要受压元件的碳素钢和低合 第 2 9卷第 6期 压 力 容 器 第 2 3 5期 金钢 ， 其含碳量不应 大于 0 2 5 ， 在 特殊 条件下 选用含碳量超过 0 2 5 的钢材时 ， 碳当量必须限 定在 0 4 5 以内， 并且需进行材料抗裂性试验和 焊接工艺评定 。而新近颁布 的 固定容规 则 直 接规定含碳量必须限定在 0 2 5 以内， 另外还规 定 了 P， S含量均不得超过 0 0 3 5 。 对于高强钢的焊接 ， 压 力容器标准规范 中尽 管没有明确禁止 ， 但提 出了一些特殊的质 量保证 措施 ， 如 固定容规 规定材料标准抗拉强度下 限 值大于或者等于5 4 0 M P a 的低合金钢制压力容器 的焊接必须 制备焊接试板且 当厚度 大于 2 0 mm 时 ， 对对接接头必须采用满 足要求 的无损检测方 法进行检测 ， 另外还要求在耐压试验后 ， 必须对焊 接接头进行表面无损检测 。 A P I S P E C 5 C T中也考 虑 了焊接钢管 的化学 成分和强度的限制， 但在具体内容上， 与我国压力 容器标准规范之间存在很大差异 ， 主要体现在 ： ( 1 ) 对强度级别 相对较低 的焊接 钢管 ， 未对 材料的含碳量进行限制， 直到标准抗拉强度下 限 值达到 6 5 5 MP a以上时， 才对含碳量进行 了限制 ； ( 2 ) 对强度级别较高的焊接钢管的含碳量 限 制 ， 但其 要求远低于压力容器 用材料标准 ， 如对 C 9 5钢级 ( 抗拉强度下限值 i7 2 4 MP a ) 仅要求含 碳量O 5 ； ( 3 ) 对 标准 抗 拉强 度分 别 高达 8 6 2和 9 3 1 MP a的 P 1 1 O钢级和 Q 1 2 5钢级焊 接钢管才 提出 了特殊的质量保证措施要求 ， 如需要协议 约定 、 压 扁试验及驻厂监督等。 化学成分 和强度级别对材 料焊接 质量 的影 响， 已被大量工程实践及试验研究所证实， 压力容 器对焊接材料的化学成分进行 限定 ， 对高强钢 的 焊接提出特殊 的质量保证措施 ， 有利于保证钢管 的质量。另外 ， 目前 的焊接技术还不 能保证焊接 接头处 的质量完全与母 材一致 ， 焊接接头处必然 存在或多或少 、 或大或小的缺陷， 从而或多或少地 影响焊接接头的使用性能。对于和人 民生命财产 安全密切相关的压力容器 ， 对其材料 的制造方法 提 出严格要求 ， 是完全必要的。 3 化学成分要求比对 压力容器与油 ( 套 ) 管对材料 的化学成 分的 要求上存在较大的差别 。 压力容器用材方面 ， 固定容规 首先明确要 求压力容器的选材应考虑材料 的化学性能 ， 化学 性能是反映材料与介质及环境发生化学反应的可 能性和反应速度大小 的相关参数 ， 对压力容器用 材料而言主要指其抗腐蚀性能。众所周知， 化学 反应 的可能性和反应速度与反应物的成分直接相 关 ， 因此要考虑材料 的化学性能 ， 必然要考虑其化 学成分。其次 ， 固定容规 要求压力容器材料必 须选用其引用标准中规定 的固定牌号 的材料 ， 这 些材料都是制造工艺已很成熟 ， 材料 的力学性能、 物理性能 、 化学性能及工艺性能已被充分掌握 ， 并 相对稳定 ， 且已有大量成功 的应用经验 ， 对于新材 料 ， 要应用于压力容器 ， 需经专门的审批程序。而 A P I S P E C 5 C T中未对材料的具体牌号作 出规定 ， 只提出了少数几种重要化学元素 的含量要求 ， 这 样一来 ， 钢管制造单位可 以具有较大 自主权地选 择材料牌号或控制材料的化学成分 ， 文 中通过调 研发现 ， 对于同一钢级的材料 ， 同一钢管企业实际 上采用的牌号可达数十种之多。 另外 ， 对成分含量作 了要求 的化学元 素， A P I S P E C 5 C T与我 国压力容器标准规范的具体要求 也存在很大不同， 主要表现在 ： ( 1 ) 对焊接材料含碳量要求不 同， 这一点本 文第 2 2小节中已经作了阐述 ； ( 2 ) 对有害元素 S ， P含量 的控制 上， 油( 套 ) 管标准 的要求低 于我 国压力容器标准要求 ， 压力 容器标准规范对 S ， P的容许含量作 了明确规定 ， 并考 虑 了材 料 的强 度 因素和低温 工况 因素， 油 ( 套) 管标准中只对抗硫套管和高强度焊接钢管 的 S ， P含量提 出了较高的要求 ， 对 于一般用途或 低强度材料 ， 对 S ， P的容许含量要求均低于压力 容器 ， 且未考虑低温和高强度因素； ( 3 ) A P I S P E C 5 C T标准 中规定的部分杂质元 素的含量 的上限值也比压力容器常用无缝钢管材 料标准中规定杂质 的高， 如 c u作 为杂质元素 时 的含量。 在对化学成分 的分析检验方 面， 压力容器材 料标准要求各种不同牌号材料的熔炼化学成分分 析结果必须提供给购方 ， 且取样数量、 复验及判定 规则均相 同。而油 ( 套 ) 管 标 准 只要 求 高强 度 Q 1 2 5钢级材料 的化学成 分分析结果必须提供给 购方 ， 其他钢级材料的化学成分分析并不是强制 性 的， 分析结果只在购方要求时才提供。 5 7 C P V T 油( 套) 管标准与我国压力容器用管材标准规范比对研究 V o W9 N o 6 2 0 1 2 金属材料的使用性能是由其化学成分和显微 组织所决定 ， 压力容器对材料的化学成分 的严格 要求 ， 对于有效控制材料的综合性能 ， 保持材料性 能的稳定性 ， 以及方便材料的安全管理 ， 都是非常 有利的。油 ( 套 ) 管标准 中对材料 的化学成分不 作严格要求 ， 因此无法对其受化学成分影 响较大 的性能指标进行评价， 如 A P I S P E C 5 C T标准中对 每一钢级的力学性能指标都提出了具体要求， 但 大都只是考虑了强度 、 塑性 、 韧性等常规力学性能 指标 ， 因此对各钢级的抗疲劳性能及断裂力学性 能则无法予 以评价 。更重要的是， 不规定材料 的 化学成分， 将无法对材料的腐蚀损伤模式进行有 效判别 。 4 力学性能指标比对 4 1 拉 伸 性 能 4 1 1 拉伸试验方法 文中首先对我国压力容器用材料标准体系与 油( 套) 管标准体系对拉伸力学性能指标的名称 和定义进行 了比对。我国压力容器用金属材料采 用 G B T 2 2 8 1中的拉伸性 能名称和定义 ， 其 目 前有效版本 为 2 0 1 0版 ， 油 ( 套 ) 管采用 A S T M 标准 ( 美国材料 与试验协会 ) 中的拉伸性能名称 和定义， A S T M 标准将涉及金属拉伸试验 的力学 性能名称和定义主要归纳在 A S T M E 6 0 3 E U 中， 此外 ， 在 A S T M E 8 0 4 _ l 中也补充 了一些性能名 称和 定义。通 过 比对 发现 ， A S T M 标 准和 G B T 2 2 8 1中各拉伸力学性能名称的定义绝大多数是 一 致的， 这是进行油( 套 ) 管标准与压力容器用材 料标准拉伸力学性能指标 比对的前提条件 。 拉伸试验结果受具体指标的计算方法、 试样 、 试验设 备、 试验程序 和试验参数等 因素的影 响。 我国压力容器用材料标准中大都规定拉伸试验执 行 G B T 2 2 8 1 ， 油 ( 套 ) 管标准 A P I S P E C 5 C T中 规定拉伸试验执行 A S T M A 3 7 0 ， 文中对该两部 标准 中对拉伸试样 、 取样方法 、 取样位置、 试验设 备、 试验程序和试验参数等方面的要求进行了详 细 比对 ， 通过 比对发现 ， 两部标准的规定之间存在 很多差别 ， 但其中有些对拉伸试验结果没有显著 影响 ， 有些还没有充分证据证明对拉伸结果有影 响 ， 有的对拉伸试验结果有显著影响 ， 但大多学术 界对大多数上述问题已作了深入的研究， 其对试 验结果的影响规律已有定论 ， 而在具体材料标准 中一般都 明确给出， 如拉伸试样 的尺寸。由于篇 幅所限， 本文不一一详述 。 因此， 总的说来 ， 我 国压力容器用材标准规范 和油( 套 ) 管标 准之 间的拉伸性能指标是具有 可 比性的。 4 1 2 强度指标 油( 套) 管标准与我国压力容器用管材标准 规范关于强度指标之间的差别首先体现在对高强 度材料的使用上。压力容器对高强度材料 的使用 是十分慎重的， 这一点从 固定容规 对标准抗拉 强度下限值大于 5 4 0 MP a的材料提出了很多特殊 要求和限制使用条件就可见一斑， 而油( 套) 管标 准中未见关于高强度钢限制使用方面的要求， A P I S P E C 5 C T标准中规定的各钢级的抗拉强度 下限值多数都在 5 4 0 M P a以上。大量研究 已经表 明 ， 随着强度的提高 ， 金属材料 的韧性 、 塑性 以及 抗腐蚀性能将有所下降 ， 因此 ， 如果单从安全性角 度考虑 ， 压力容器慎重对待高强度材料的使用 的 理念是有利于提高设备可靠性 的。 关于强度指标 ， 两个标准体系之间的另一个 不同在于对强度指标 的限制上 ， 对于某一具体牌 号， 我国压力容器用材料标准大都是对抗拉强度 指标既限定上限， 也 限定下限； 而对屈服强度 ， 则 只限定下限值， 如 G B 3 0 8 7 -2 0 0 8 ， G B 5 3 1 0 2 0 08， GB 6 47 9 - 2 0 0 0 ，GBT 81 6 3- - 2 0 08， GB 9 9 4 8 -2 0 0 6 等 ， 而 A P I S P E C 5 C T中对普 通钢 级材料的屈服强度是 同时限定上限值 和下限值 ， 对抗拉强度则只限定下限值 。可见 ， 油( 套 ) 管注 重材料具有稳定的屈服强度 ， 而压力容器材料注 重材料具有稳定的抗拉强度。 此外， 值得一提的是， 我国压力容器标准体系 与油( 套) 管标准体系中屈服强度的定义有所区 别 ， 前者用来计算许用应力的屈服强度采用的是 下屈服强度 R 吐或规定塑性延伸强度 R 冈 ：( 无 明 显屈服现象时采用 ) ， 而 A P I S P E C 5 C T中规定的 屈服 强 度 是 指 规 定 总 延 伸 强 度 R 或 R ( P 1 1 0 ) 或 R n 6 5 ( Q 1 2 5 ) 。 文献 1 6 对油气输送用管线管 x 8 0钢级和 x1 0 0钢级的 R 尸 。 与 尺 之间的差异性作了研究 ， 得出： ( 1 ) 当钢级为 X 8 0时， 冈 与 基本吻合 ， 当钢级达 到 X1 0 0时， R 巾 与 R 之 间的差值 增 第 2 9卷第 6期 压 力 容 器 总第 2 3 5期 大 ， 平均值达到了4 1 MP a ； ( 2 ) 对于 X1 0 0或更 高级别 的管线钢建议使 用 R 冈 值作为材料的屈服强度 ， 或使用总应变在 0 6 左右时所对应 的应力值作为材料的屈服强 度 ； ( 3 ) 圆棒试样可降低 尺 冈 ： 与 R 之间的误 差 。 油( 套 ) 管材料与管线管材 料的强度级别较 为接近 ， 上述结论可 以参 考 ， 在 比对油 ( 套 ) 管材 料与压力容器材料的屈服强度时应考虑概念之间 的差异 。 4 1 3 塑性指标 我国压力容器标准规范非常重视材料的塑性 指标 ， 固定容规 对焊接钢板的断后伸长率提出 了明确的要求 ， 对钢 管提 出的要求是满足引用标 准 的要 求 ， G B 3 0 8 7 _2 0 0 8 ， G B 5 3 1 0 -2 0 0 8 ， G B 6 4 7 9- 2 0 00， GB T 8 1 6 3 - 2 0 08， GB 9 9 48 - 2 0 06， G B 1 8 2 4 8 -2 0 0 8 等压力容器常用管材标准 中 都针对具体牌号 提出相应 的伸长率指标 ， 固定 容规 及上述管材标准中多数所提断后伸长率都 是A ( 6 ) ， 即原始标距 。 等于5 6 5 s 。 ( Js 。 为原 始横截面积 ) ， 不 同尺寸试样 的断后伸长率指标 ， 可按 照 G B T 1 7 6 0 0 1 一l 9 9 8 _ 】 或 G B T 1 7 6 0 0 2 1 9 9 8 _ l 进行换算。 A P I S P E C 5 C T一方面规定 了采用式( 1 ) 来计 算断后伸长率指标 ； 另一方 面也对各种规格和钢 级管子的断后伸长率 指标 以表格 的形式 明确给 出， 并对相应 的拉伸试样 的形状和尺寸作 了明确 规定。 笳 式中e 最小伸长率 后 常数 ， 取 1 9 4 4 拉伸试样的横截面积 ， mm ， _一 规定 的抗拉强度下限值 ， MP a 表 1 列 出 A P I S P E C 5 C T标准 中对在储气井 上已大量使用过的 N 8 0钢级 ( 包括 N 8 0 1和 N 8 0 Q， R 36 8 9 MP a ) 、 P 1 1 0 ( R 38 6 2 MP a ) 钢级 材料的拉伸试样尺寸及 断后伸长率要求 ， 伸长率 指标按 G B T 1 7 6 0 0 1 换算成 A( ) 分别为 1 3 和 1 1 ， 固定容规 中对管材的伸长率要求执行 引用标 准， 我 国压力 容器 常用管材 标准 中对 与 N 8 0及 P 1 1 0相近强度级别材料 的伸长率指标要 求均高 于表 1中 N 8 0与 P l l 0对应 的值 ， 如 G B 1 8 2 4 8 -2 0 0 8中对 3 4 Mn 2 V( R 3 7 4 5 MP a )与 3 0 C r Mo ( R 39 3 0 MP a ) 两牌号材料的伸长率要求 分别 为 1 6 和 1 2 ， G B 1 5 0对 低 合金 钢 螺柱 3 0 C r Mo A( R 3 7 0 0 MP a ) 和 4 0 Mn V B( R 3 8 3 5 MP a ) 两牌 号材料 的伸长率 要求分 别为 1 6 和 1 3 表 1 储气井常用钢级材料 的断后伸 长要求( 按 A P I S P E C 5 C T) 钢级 规格 m m 试样横截面形状 横截面尺寸 m m 原始标距 m m 伸长率要求 ( ) N 8 0 01 7 7 81 0 3 6 纵向弧形试样 宽2 5 5 O 8 1 6 1 3 P l 1 O 沈 4 4 5l 1 O 5 纵 向弧形试样 宽 3 8 5 0 8 1 5 1 l 注 ： 储气井井筒钢管直接采用油 ( 套 ) 管。 由表 1可知 ， 油( 套 ) 管标准 中对材料塑性指 标的要求总体上低于我国压力容器标准规范的要 求。作为特种设备 的压力容器 ， 材料的塑性指标 在保障其安全性有较大的作用， 一方面， 良好的塑 性能够缓解高度集 中的局部 应力 ， 从而避 免脆性 断裂； 另一方面可使得材料在破坏前发生较大的 塑性变形 ， 从而及时发现和采取补救措施。油气 井 ， 作为一种地上和地下实现物质交换的通道， 在 材料设计时并没有充分考虑 安全方面 的需要 ， 更 多考虑的是工艺方面的需要 。 4 2冲击 功指标 韧性是金属材料最 重要 的力学性 能指标之 一 ，我国压力容器材料标准规范及油 ( 套 ) 管标准 中大都采用冲击功指标来评价材料 的韧性。文中 对油 ( 套 ) 管与我 国压力容器材料标准规范对 冲 击功指标要求进行 了比对 。 4 2 1 冲击试验方法 冲击功通过冲击试验获得 ， 冲击试验结果直 接影响对材料性能的判定 。我 国压力容器用材料 冲击试 验执行 G B T 2 2 9 -2 0 0 7 _ 2 o J ， 目前 的有效 5 9 C P V T 油( 套) 管标准与我国压力容器用管材标准规范比对研究 V o W 9 N o 6 2 0 1 2 版本是 2 0 0 7 ， G B T 2 2 9是修改采用 I S O 1 4 8国际 标准 ， 油 ( 套 ) 管 冲击试 验方法执 行 A S T M A 3 7 0 和 A S T M E 2 3 。文 中 对 G B T 2 2 9与 A S T M A 3 7 0中对冲击试样 、 试验机参数 、 试验过程参数 等进行 了详细的比对 ， 发现两部标准之间存在大 量的不同之处 ， 其中有些 已有充分证据证明对冲 击试验结果无显著影响 ， 如 冲击试样长度偏差带 、 高度偏差带 、 宽度偏差带 、 缺 口以外的表面粗糙度 等 ， 有些可以判断会对冲击试验结果产生一定影 响， 但是 目前 尚无试验验证方面的报道 ， 如缺 口半 径偏差带 、 缺 口深度偏差带 、 缺 口角度 ； 有些 因素 会对试验结果产生显著的影响 ， 并且 已被试验所 证实 ， 如冲击摆锤曲率半径等。同样的冲击试样 ， 采用 2 m m曲率半径和 8 m m 曲率半径所得的冲 击功 ( 2 m m曲率半径摆锤得到的冲击功称 K ， 8 m m曲率半径摆锤得到 的冲击功称 ) 值不同， 前者一般要低于后者 ， G B T 2 2 9 -2 0 0 7在标 准条文中已经 明确 了这一点 ， A S T M标准只允许 采用 8 m m 曲率半径摆锤 ， 而 G B T 2 2 9对 2 mm 曲率半径 摆锤 和 8 m m 曲率半径摆 锤都允 许采 用 ， 我国大多数钢产品标准中都采用 K 指标 ， 如 固定容规 ， G B T 8 1 6 3 -2 0 0 8 ， G B 5 3 1 O 一2 0 0 8 等 。 4 2 2冲击功要求 脆性断裂是压力容器的后果最为严重的失效 模式之一 ， 脆性断裂一旦发生， 容器将迅速完全崩 溃， 产生的金属碎片向四周飞散 ， 介质完全失去约 束 ， 全部泄漏人环境 中， 从而将造成极大 的危 害。 因此世界各 国的压力容器标准规范中对脆性断裂 失效模式都非常重视 ， 脆性断裂主要不是通过设 计校核的方法 ， 而是通过一定 的制造工艺和检验 手段 ， 保证材料 的韧性来加以防止的。 我国压力容器标准规范对材料的冲击功指标 强制性地作了规定 ， 固定容规 按照材料的强度 级别对钢板 、 锻件 、 钢管的冲击功指标提出了基本 要求。对于钢管 ， 在具体的材料标准 中也都对冲 击功指标提出了强制性要求， 固定容规 对 冲击 功指标的要求相 比于其上一版有所提高 ， 因此 ， 有 些钢管标准 目前 尚未来得及按 固定容规的要 求进行修订 ， 因此其 中的冲击功指标与固定容 规 存在不符合之处。 A P I S P E C 5 C T对管子 的冲击功在多数情况 下并未提出强制性要求， 如对 H 4 0 ， J 5 5 ， K 5 5三个 6 0 强度级别较低 的材料以及 N 8 0 1钢级 一般不要 求 冲 击 功指 标 ， 对 N 8 0 Q， L S 0 ， C 9 0 ， C 9 5以及 P 1 1 0钢级管子 的冲击 功试验规定 只有 当供求双 方在订单上约定后 ， 才是 强制性的， 只有对 M6 5 和 Q 1 2 5两种钢级 的冲击 功试 验是强制性要求 。 关于冲击功指标 ， 当订单 中规定了冲击试验要求 时 ， A P I S P E C 5 C T对储气 井上常用 的两种钢 级 N 8 0 Q和 P 1 1 O钢级 的冲击功指标要求如表 2所 示 。 表 2 储气井 常用钢级冲击功指标 ( 按 A P I S P E C 5 C T) 冲击功 J 钢级 规格 m m 横向 纵向 N 8 0 Q 0 1 7 7 81 0 3 6 1 4 2 7 Pl 1 0 4 4 51 1 O 5 2 0 4 1 A P I S P E C 5 C T标 准规 定 的冲击 功 指标 为 ，即冲击试验机摆锤的曲率半径为 8 mm， 前面 已经提到， 对于同样尺寸的冲击试样 ， K 的值低 于 K ， 因此 ， 如果 A P I S P E C 5 C T对各钢级规定 的冲击功指标转化为 K ， 则其值 比表 2中值还 要低。 固定容规 对抗 拉强度下 限值在 6 3 0 6 9 0 M P a范围内材料 的冲击指标 的要求 为 K 3 8 J ， 没有明确冲击试样的取样方向， 经咨询有关 专家得知， 固定容规 要求的是纵向和横向试验 都须满足规定， N 8 0 Q钢级的抗拉强度下限值为 6 8 9 MP a ， A P I S P E C 5 C T对其 冲击功指标要求仅 为 K 1 4 J 。可见 ， A P I S P E C 5 C T对材料韧性 指标要求远低于我国压力容器规范的要求。 脆性断裂有两个原因， 一是材料的韧性不足 ； 二是使用温度过低 。大量 的研究成果 已充分表 明， 材料的韧性随温度的降低而变差 ， 且在某一温 度范围内， 韧性指标发生急剧变化 ， 这种现象称为 冷脆。碳素钢和低合金钢的冷脆转变温度一般在 0 o C以下附近。要 预防低温冷脆 ， 必须保证材料 在其冷脆转变温度 以上使用。 我 国压力容器标准规范中非常重视对低温冷 脆的预防， 固定容规 所要求的冲击功指标是对 应的满足设计温度要求的冲击试验温度下的。 G B 1 5 0和 J B 4 7 3 2中对各种材料的使用温度下限 都作了规定 ， 按 G B 1 5 0的要求 ， 碳素钢和低合金 第 2 9卷第 6期 压 力 容 器 总第 2 3 5期 钢的使用温度下 限， 除有特殊规定的 ， 均为高于或 等于 一 2 0 ； 当使用温度低 于 一 2 0时 ， 应进行 不高于使用温度下限的冲击试验。按 J B 4 7 3 2的 要求 ， 多数碳素钢和低合金钢 的使用温度 下限只 有 0， 对 于用于使用温度低 于 0 o 【 = 场合的材料 应进行不高于使用温度下限的冲击试验。 A P I S P E C 5 C T没有 明确各钢级材 料的使用 下限温度 ， 只是对各钢级材 料的冲击试验温度作 了笼统的规定 ， 一般分为两种情况 ： J 5 5和 K 5 5钢 级材 料的 冲击试 验温度 为 2 1 ， 其余钢级 为 0 。前文 已经提到 ， A P I S P E C 5 C T对材料 的化学 成分不作详细规定 ， 同一钢级 的材料可由不同牌 号的材料制得 ， 而材料 的冷脆转变温度受材料 的 化学成分的影响 ， 因此对 同一钢级的材料 ， 当材料 牌号不 同时， 其冷脆转变温度可能不同， 因此只能 用于不 同的温度场合 。可见 ， A P I S P E C 5 C T不对 材料 的化学成分作具体规定 ， 对于 当考虑材料的 使用温度下限问题时 ， 也是非常不便 的。 此外 ， 关于 冲击性 能方 面 ， 油 ( 套 ) 管标准 与 我国压力容器标准之间的差异值得指出的还有以 下几点 ： ( 1 ) 对 3 4和 1 2尺寸试样的冲击功指标 比 例缩减系数 ， A P I S P E C 5 C T规定的分别为 0 8和 0 5 5 ， 我 国压力容器标准规范规定为 0 7 5和0 5 。 文献 2 3 对试样 宽度对冲击功的影响进行了试 验研究 ， 得出钢的小尺寸试样 冲击功与标准试样 冲击功 比值的平均值趋向于一个定值 ： 1 n 音 ( K s K V Io ) 一 耋 ( K V 5 K V 1。 ) 一 2 可见 ， A P I S P E C 5 C T对 比例缩减系数的规定 较为科学。 ( 2 ) 一 组 3个试 样 的冲击 功 值 ， A P I S P E C 5 C T允许其 中有一个试样 的单个值低 于规定值 ， 但不低于规定值 的 2 3 ； 而我 国压力容器标 准中 要 求低 于 规定 值 的单个 值 不得 低 于规 定 值 的 7 0 。可见 ， 压力容器标准规范要求相对较严 。 ( 3 ) 对 于纵 向冲击试样 ， 我 国压力容器材料 标准要求 在管 子 1 4壁厚处 取样 ， 而 A P I S P E C 5 C T要求在 1 2壁厚处取样 ， 对 于壁厚较大 的管 子， 两种取样方法得到的冲击功值将存在差异 ， 后 者偏小 。 5 其他 5 1 表面及 内部质量要求 文中对油 ( 套 ) 管标准与我 国压力容器用管 材标准规范对表面质量和内部质量的要求也进行 了比对 。两个标准体系在检验方法 、 执行标准 、 容 许缺陷等方面都存在差别 ， 总体看来 ， 油( 套 ) 管 标准的要求低于我 国压力 容器常用管材标 准要 求 ， 如油 ( 套 ) 管对 H 4 0 ， J 5 5 ， K 5 5 ， N 8 0 1几个钢 级的材料 的无损检验不作要求 ； 压力容器用管材 标准 中， 多数要求进行抽样低倍检验及非金属夹 杂物检验， 而 A P I S P E C 5 C T中对各钢级材料均未 提出低倍和非金属夹杂物 的检验要求。 5 2质量监督和管理 我 国对承压设备用材料实现强制性监 管， 具 体的监管手段有制造许可制度 、 监督检验制度 、 监 督检查制度等。 我国油气井行业也形成了一套比较成熟的油 ( 套 ) 管质量管理方法 ， 与承压设备不 同的是它主 要以市场手段为主 ， 具体 的手段有生产厂家应取 得 A P I 会标使用权和 G B T 9 0 0 1 体 系认证 、 驻厂 监督制度 、 现场商检制度等。 6 结 语 通过比对可以看出， 油 ( 套) 管标准 与我 国压 力容器用 管材标 准规范之 间存 在诸多不相容之 处 ， 突出表现在两个方面 ： 一方面 ， 油 ( 套 ) 管标准 对材料的技术要求的主要方面均低于我国压力容 器用管材标准规范要求 ； 另一方 面， 油 ( 套 ) 管标 准对一些重要技术指标的要求不像我国压力容器 标准规范那样是强制性的 ， 而是 由购买双方通过 合 同约定。 文 中对两个标 准体系 的比对侧 重于 阐述 油 ( 套 ) 管标准中不满 足我国压力容 器用材料标 准 规范之处 ， 其 目的不在于试图说 明我 国压力容器 用材料标准规范优于油( 套 ) 管标准。相反， 通过 比对， 笔者发现油( 套) 管主要标准 A P I S P E C 5 C T 是一部集系统性 、 科