摘要：针对目前国内外油气管道最高试压压力标准不明确的问题，在统计国内外代表性管线钢生产厂家管材性能并与APISpec5L标准对比的基础上，着重研究了制管过程Bauschinger效应对管道屈服强度的影响，研究了埋地管道应力状态对管道屈服强度的影响。最后给出关于油气输送管道最高试压压力的建议为：当以水为试压介质时，现场试压管道最低点环向应力值≤100%SMYS，甚至≤110%SMYS（规定的材料最低屈服强度）。
关键词：油气管道；试压压力；屈服强度；Bauschinger效应
1管材屈服强度的分布特征
20世纪70年代初，Transcanada首次使用X70钢级的钢管。目前X70钢级管线钢厚板、卷板、钢管已大批量生产并投入使用。不同生产厂家的X70管线在化学成分、力学性能上存在一定差异。
在收集鞍钢、浦项钢厂的管材性能的基础上，表1是管材的屈服强度、屈强比等参数的分布特征的对比。X70钢屈服强度统计分布如图1、图2所示。分析结果表明，屈服强度分布基本符合正态分布。浦项X70钢的抗拉强度、屈服强度比鞍钢的高40～50MPa。统计鞍钢生产的管材为372根，平均屈服强度537MPa，相当于标准规定值的1.11倍。其中有70%的管道都高于110%SMYS。统计浦项为139根，平均屈服强度579MPa，等于标准规定值的1.19倍。其中92%的管道高于110%SMYS。
2.Bauschinger效应的影响
所谓 Bauschinger效应就是经过预先加载变形，然后在反向加载变形时屈服强度降低的现象。在应用中，Bauschinger效应值（VBE）的大小可用同一管材制成管前后屈服强度值的差来表示。该值是形变硬化和Bauschingex效应综合作用的结果。
制管过程为管材的弯曲成形过程，从断面来看，其外层由拉应力进入塑性区，而其内层由压应力进入塑性区，这样就更增加了制成管后，对其总体 Bauschinger效应值（VBE）的估计或预测的复杂性。制管过程中和随后管样压平拉伸试验过程中，钢管因为 Bauschinger效应而使屈服强度的损失可达15%。吉玲康对国外某生产公司的X65管线钢进行了研究，表2为拉伸性能试验结果，板卷与钢管的抗拉强度、延伸率变化不大，而管样的平均屈服强度降低19.2M Pa，平均屈强比降低了0.041。库鄯管线使用2批由美国某公司生产的X65螺旋钢管用热轧卷板，由国内制管厂制管后，经检测其Bauschinger效应值（VBE）为：第1批平均降低 22.94MPa，最高降低56MPa；第2批平均降低14.5MPa，最高降低31MPa。
在3种焊管类型中，螺旋焊管（SSAW）的Bauschinger效应最严重，高频直缝焊管（ERW）。次之，直缝双面埋弧焊管（UOE）最低。
3.应力状态的影响
对于承受内压的埋地管道受力状态，可以看作平面应变问题，并忽略径向应力，只考虑承受环向应力与轴向应力。下面分最大拉应变屈服条件、畸变能屈服条件研究其屈服应力的大小。
3.1.最大拉应变屈服条件
负值代表管道轴向为压应力。
当管道的轴向为拉应力时，在一定范围内可以使环向的屈服强度提高。对埋地管道而言，轴向应力σL=0.3σc，由此可得管道屈服强度与管材屈服强度的比值为1.11。对于裸露管道， ，管道屈服强度为1.15 。
4结论
（1）国内外不同厂家的管材性能存在一定的差异，统计材料表明，所有管材的屈服强度大于APISpec5L规定的最低屈服强度（SMYS），70%管材的屈服强度大于 110%SMYS。
（2）制管过程的Bauschinger效应使得钢管的屈服强度低于板样的屈服强度，平均 Bauschinger效应值小于10%SMYS。
（3）考虑多向应力对屈服强度的影响，对于埋地管道。管道屈服强度与管材屈服强度的比值为1.11；对于裸露管道，管道屈服强度为1.15σ0。
（4）综合以上分析，一方面制管过程的Bauschinger效应使得钢材的屈服强度低于板样的屈服强度，另一方面管道承受多向应力状态，使得钢管屈服强度大于110%SMYS。钢管的水压爆破试验也证明钢管的屈服强度高110%SMYS。
因此，在油气管道采用水介质试压时，现场试压最低点环向应力不大于100% SMYS（甚至110%SMYS）情况下，整体管道并没有达到屈服状态，是安全的试压压力。
参考文献
[1]《输气管道工程设计规范》（GB50251—2015）中关于试压的若干规定，中国计划出版社。
[2]《潘家华油气储运工程著作选集》（第三卷）。北京：石油工业出版社，2001。
[3]《全国压力管道设计审批人员培训教材》（第三版），中国石化出版社。
[4]《材料力学》，中国石油大学出版社。
[5]《有限元分析》，中国石油大学出版社。
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/7
标签：强度论文; 管道论文; 应力论文; 管材论文; 效应论文; 钢管论文; 油气论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;