X120管線鋼管爆破試驗及止裂設計的研究

楊 揚，呂 華 編譯

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065）

隨著運輸成本的不斷提高，人們開始通過提高鋼管強度，減少用鋼量的方法來減少管道成本，從而提高經濟效益。本研究結合?？松梨诠荆ㄒ韵潞喎Q美孚公司）的爆破試驗，采用有限元分析對失效管道進行裂紋斷裂和止裂研究，同時進行了全尺寸試驗以評估材料本身的止裂能力。結果表明，該鋼管有很強的抗內壓能力。

1 爆破試驗

輸氣管道的主要載荷是內壓，在許多輸氣管道規(guī)范中允許環(huán)向拉應力達到管材規(guī)定最小屈服強度的80%。X120鋼管必須在壓力達到應力水平時仍然能夠安全使用。為了保證足夠的承壓能力，通過爆破試驗評估X120鋼管的實際承壓水平。同時，利用有限元分析進一步認識和開發(fā)爆破極限狀態(tài)的設計標準。

1.1 爆破試驗過程及結果

為了評估鋼管的承壓能力，2003年3月?？松梨诠镜难芯啃〗M制作了長約3 m的X120鋼管試樣。試樣的兩個端部用高壓端蓋焊接，每個試樣的焊縫位置、焊縫熱影響區(qū)（HAZ）和母材都裝置了壓力量規(guī)，當施加內壓時就能獲得各個位置的響應。表1列出了X120鋼管爆破試驗的結果?？梢钥闯?，8個試樣是在焊縫失效的，只有一個是在鋼管管體失效。試驗4中的鋼管管體失效是由于焊管焊縫性能優(yōu)勢較為明顯。表1所示為爆破試驗結果。

表1 X120鋼管爆破試驗結果

1.2 有限元分析與對比

從以上分析可以看出，由于只有一個失效發(fā)生在管體，其余均發(fā)生在焊縫處，所以假定爆破失效發(fā)生在鋼管管體是主要缺陷。采用有限元分析進行失效分析。為了便于計算，在有限結構代碼ABAQUS中利用了一個非線性的、隱性的分析。這個模型由4個線性的平面應變單元組成，這些元素允許由鋼管端蓋載荷導致的軸向應力實施。分析表明，通過增加元素體積，內壓充當靜水力學流體元素。這使得離析較為容易合并，從而超過形成的最大壓力。一個標準的網大約是由2 000個固體和流體元素以及2 000個結點組成。

X120焊縫的詳細情況被應用到分析中，用來觀察試驗中鋼管的行為。材料行為的正確實踐對于爆破分析至關重要。鋼管管體和焊縫金屬抗拉試驗的結果用于精確模擬這些材料的行為。由于爆破失效發(fā)生在焊縫，在分析中建模的X120鋼管的另一重要特征就是軟化的焊縫熱影響區(qū)。狹窄的焊縫熱影響區(qū)和穿過這一區(qū)域的力學性能的斜率很難通過抗拉試驗直接測量性能。相反，熱影響區(qū)的強度從橫穿焊縫的顯微硬度處減少。

圖1為試驗7在焊縫接頭的輪廓圖，其中的塑性應變與來自有限結構分析所預測的相等。其他試驗的分析也產生了同樣的結果。圖中應變的定位很明顯，這是焊口應力集中的結果，軟化的熱影響區(qū)和有限數量的硬化在材料中也存在。由于這些因素的共同作用，一旦應變以這種方式定位，焊縫立即失效。

圖1 試驗7焊縫接頭的輪廓圖

盡管失效發(fā)生在焊縫，X120試驗中的爆破壓力超過了這一鋼管硬度的要求?；诒圃囼灪陀邢藿Y構分析的結果表明，X120鋼管管體和焊縫具有足夠的強度，這使得它可以設計與最小屈服應力相同的數值作為更低鋼級的鋼管管線。斷裂試驗和控制也常被用于進行缺陷出現(xiàn)時的壓力控制性能驗證。

2 X120管線鋼管的止裂器設計

2.1 固有的止裂性能

一般而言，鋼管設計過程中應考慮材料具有足夠的韌性以防止裂紋產生。本研究通過經驗總結了幾個方法以確定鋼管固有止裂韌性的大小。然而，這些理論仍然需要通過試驗進行驗證后才能廣泛應用。

對于X120鋼管，內在止裂機制將會很難控制，這是因為應用的新鋼管通常需要相對較高的徑厚比（D/t＞45）和高的輸送壓力才能充分體現(xiàn)其經濟價值。由于X120鋼管中固有止裂韌性未知，所以研究將關注在保持足夠強度的同時使韌性最大。同時進行了一個全尺寸裂紋止裂試驗（FSCAT）來評估材料的固有止裂能力。

2.2 固有止裂的開發(fā)目的

研究了幾個用于評估X120鋼管的固有止裂韌性模型。這些模型可以被歸為以下兩種：①Battelle雙曲線模型；②CTOA模型。

（1）Battelle雙曲線模型。該雙曲線模型用于預測固有裂紋止裂所需的夏比V形缺口韌性（EBattelle）。這點在低鋼級（X70和以下）鋼管材料的試驗中進行了驗證。該方法對比了由鋼管裂紋萌生阻力控制的裂紋速度和氣體減壓速度，以預測保證減壓波逃脫萌生裂紋所需要的韌性。如果減壓波確實比裂紋擴展的快，那么位于裂紋尖端的裂紋驅動力會由于壓力的損失和止裂的發(fā)生而減少。隨著管線鋼材料強度的增加，這個模型將不再正確地預測所需要的韌性。為了擴展它的適用性，對這個方法采用修正因子，從而使在更高強度鋼管材料上進行的全尺寸試驗結果和預測的韌性值相一致。

以下兩種方法用于修正Battelle雙曲線模型：①根據經驗對小尺寸實驗室測量的FSCAT結果進行修正；②修正該模型，通過分離從DWTT或者CVN試驗獲得的萌生和擴展能量。這種分離是必要的，因為最初的Battelle相關性是基于低鋼級鋼管，其中大部分的吸收能是由材料的擴展阻力消耗的。對于更高強度的鋼材，由裂紋萌生阻力消耗的斷裂總能量已經增加。因此，當應用該方法時，高強度鋼材所釋放的擴展能量并沒有被總能量適當的展現(xiàn)出來。

對X120鋼開發(fā)韌性目標時，需考慮以下3個方程，分別是：

方程中，E代表裂紋止裂所需要的CVN能量，下標表示預測所使用的方法。式（1）中的預測是基于上述的方法①，該方法中測試結果被用于對EBattelle進行糾正。式（2）是根據以下兩者之間的關系得出：①由小尺寸試驗得出的結果，設計這種試驗是用于使萌生能量與所測量的總能量之比的作用最小；②標準CVN試驗的結果。這些關系用來產生一個修正的CVN能量（EC），用于裂紋止裂。相同的方法也被采用在式（3）中進行研究。

表2包含了由式（1）～式（3）中所預測的裂紋止裂所需要的CVN值，對于φ 914 mm×16 mm的X120鋼管，規(guī)定的最小屈服強度對應接箍壓力的72%，并假定氣體是甲烷。

表2 鋼管固有裂紋止裂的預測韌性 J

對預測固有止裂的CTOA方法也進行了研究。為了達到CVN目標，這個方法預測了上述相同情況下所需要的CTOA值，大約為11°。然而，這種方法還未應用于更高鋼級。此外，測量X120鋼管的CTOA值是非常困難的。一個有效的CTOA值不可能使用兩個標準試樣進行試驗并同時測量。因此，在開發(fā)工作中，使用這個方法不能超過所需CTOA的最初估計值。

對于X120鋼管最初建立了231 J的CVN韌性目標。在估算固有裂紋止裂所需韌性時較大的不確定性主要為現(xiàn)有模型的推論。一旦開發(fā)的鋼管符合X120的標準，將使用FSCAT來決定該模型是否和管線鋼管的固有裂紋止裂能力相符合。

2.3 X120管線鋼管的材料性能

進行韌性測量貫穿于X120鋼管的開發(fā)過程，以最大限度評價裂紋產生的阻力。同時進行了DWTT、CVN和CTOA試驗，以認識材料行為并且獲得可接受的強度和韌性的組合。采用CVN吸收能測量主要的裂紋萌生阻力。正如前面所提到的，在試驗的早期就進行了CTOA試驗，但隨后由于試驗的難度而被取消了。然而，從X120上進行試驗的韌性測量范圍來看，幾個有效的測量方法得出了一系列的值，如表3所示。

表3 X120鋼管斷裂韌性測量結果

2.4 全尺寸止裂試驗（莫哈維試驗）

進行全尺寸裂紋止裂試驗之前，在接近期望的試驗溫度下進行了更小的單接頭試驗，以保證延展性的擴展裂紋，使裂紋穿過環(huán)焊縫，這樣才能完全評估鋼管材料。莫哈維試驗不同于常見的West Jefferson試驗，為了提供足夠的能量來評估當萌生裂紋存在時鋼管的行為，莫哈維試驗以100%的氣體進行增壓。在試驗中使用N2作為增壓的媒介，這與標準的貧氣一樣嚴重，因為它能產生減壓。每個鋼管試樣裝置有定時電線、溫度傳感器和壓力儀器。在起初的試驗中，為了獲得產生裂紋的高速影像，不能將鋼管埋在土里。盡管從試驗中獲得了高速的拍攝照片，但是逃逸的氣體使裂紋尖端的圖像變得模糊，并沒有獲得有價值的信息。

準備FSCAT時進行了4次莫哈維試驗。這4個試驗都是100%剪切面積。表4給出了試驗條件、鋼管韌性和試驗結果。第一個試驗鋼管中沒有環(huán)焊縫。接下來的2個試驗鋼管中均包含了環(huán)焊縫，這2個試驗中裂紋斷裂都發(fā)生在環(huán)焊縫。盡管這些鋼管在試驗時沒有埋在土壤中，這加劇了裂紋的產生 （更可能是斷裂），但是對于FSCAT在試驗前為了防止斷裂進行了額外的測量。后一次試驗中，鋼管被埋在土里，水泥塊安裝在試樣的末端，以便更好地模擬FSCAT的環(huán)境。為了預防斷裂，在鋼管環(huán)焊縫的頂部90°位置使用了額外的焊接材料。試驗結果表明在類似FSCAT的情況下不會發(fā)生斷裂。

表4 莫哈維試驗

2.5 X120鋼管的全尺寸止裂試驗

莫哈維試驗中在驗證鋼管延展性和環(huán)焊縫完整性之后，對X120鋼管進行了FSCAT以評估固有裂紋止裂能力以及模型，而這種模型用來決定所需要的CVN韌性值。意大利的CSM在薩迪那范圍內進行了這一試驗。9根X120鋼管，含一根較低韌性的起始管，被排列在90 m的試驗段中，以及2個各連接一個110 m的儲氣庫。這些儲氣庫都是為這次試驗新建的，同時需要對鋼管加壓到規(guī)定最小屈服強度的72%。在起始鋼管的兩端，規(guī)格為φ 914 mm×16 mm的X120鋼管以韌性為升序進行排列。試驗使用貧氣進行，并加壓至20.85 MPa。測試設備包括計時電線、應力儀表、壓力轉換器和對鋼管進行標記的變形網格。設備上的數據顯示裂紋速度、變形的鋼管外觀、圍繞擴展裂紋的應力區(qū)域和氣體減壓現(xiàn)象。表5按照全尺寸試樣的順序列出了試樣的CVN值。表6列出了試驗氣體的組分。

表5 0℃時試驗鋼管的性能和排列順序

表6 全尺寸止裂試驗氣體組分 %

全尺寸止裂試驗中鋼管的布局有很多用途。試驗鋼管的CVN值超過表3中所標注的預測范圍。因此，根據這些預測，在試樣的內部將會出現(xiàn)止裂。 期望更低的預測值（EBattelle和ELeis）并非保守，試樣的東側安裝有主要用于測試試樣的止裂器。1個套袖式止裂器被放置在E3鋼管的中間。試樣的東側包含3個鋼管，固有裂紋止裂預測（EC）的最高值為277 J，這3個鋼管的CVN與預測的最高值相差幾焦耳。西側的數據符合現(xiàn)有實際止裂模型的試驗限制目標。

止裂器為X65材料，長2 m，厚19 mm。安裝后經測量，在鋼管和止裂器之間有2.1%，約9.5 mm的間隙。止裂器按照某管線研究委員會報告進行設計，隨后在長度上增加2倍以提高成功的可能性。

試驗中，熱電偶安裝在各個部位，鋼管和氣體的溫度顯示為12℃。起始裂紋產生至試驗段的兩端，這表明按照預先的試樣條件鋼管的韌性不夠，套袖式止裂器也不夠有效。圖2顯示了后續(xù)試驗的照片。裂紋表面是100%延展性的，裂紋擴展速度在280～350 m/s，這可由圖3中的計時電線數據看出。結果表明基于CVN試驗所討論的模型沒有正確的預測到X120管線鋼管固有裂紋止裂所需要的韌性。

圖2 X120管線鋼管全尺寸止裂試驗的后續(xù)試驗照片

圖3 全尺寸止裂試驗的計時電線數據

3 結 論

在X120鋼管上進行的全尺寸止裂試驗表明，在所處的試驗條件下，對于固有裂紋止裂，鋼管材料并沒有足夠的韌性。此外，決定固有止裂韌性的模型并沒有預測到X120試驗的結果。預測的失敗很可能歸咎于模型的經驗主義特性，因為這個模型是用于開發(fā)低鋼級鋼管的。

盡管在全尺寸止裂試驗中并沒有獲得止裂效果，但是在不太嚴苛的設計條件下，對于固有裂紋止裂的X120鋼管可能具有足夠的止裂韌性（比如低的徑厚比、低壓、海下等）。然而，由于缺少合格的模型，對于規(guī)定的設計條件，全尺寸止裂試驗需要表現(xiàn)出鋼管的固有裂紋止裂能力。