X80螺旋埋弧焊接鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)研究

羅華權(quán)，楊力能，張 楠，陳磊磊（．中國(guó)石油集團(tuán)　石油管工程技術(shù)研究院，西安70077；．中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司　第一機(jī)械廠，河北　青縣06658；．中國(guó)石化中原油田　采油一廠，河南　濮陽(yáng)45700）

X80螺旋埋弧焊接鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)研究

羅華權(quán)1，楊力能1，張 楠2，陳磊磊3
（1．中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2．中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北青縣062658；3．中國(guó)石化中原油田采油一廠，河南濮陽(yáng)457001）①

靜水壓爆破試驗(yàn)是對(duì)螺旋埋弧焊接鋼管承載能力的驗(yàn)證。介紹了靜水壓爆破試驗(yàn)的原理，分析了鋼管承壓應(yīng)力和起爆位置裂口方向、試驗(yàn)裝置等。以?1 219 m m×22 m m X80螺旋埋弧焊接鋼管為例，進(jìn)行靜水壓及爆破試驗(yàn)。結(jié)果表明：鋼管內(nèi)壓19．5 M Pa、保壓600 s，未發(fā)現(xiàn)焊縫和管體泄漏；測(cè)試最高壓力28．12 M Pa大于理論計(jì)算值22．56 M Pa，鋼管靜水壓穩(wěn)壓測(cè)試和最高壓力滿足Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》水壓試驗(yàn)要求。爆破口位于管體母材，爆破口為韌性斷裂，爆破開(kāi)口方向與理論分析一致。

X80螺旋埋弧焊接鋼管；靜水壓；爆破試驗(yàn)

大口徑、高鋼級(jí)螺旋埋弧焊接鋼管（SAWH焊接）在正式生產(chǎn)之前，制造商都首先制定制造工藝規(guī)范（MPS）文件并進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)試制鋼管進(jìn)行靜水壓爆破試驗(yàn)［1］。其目的是驗(yàn)證鋼管的承載能力，判斷其達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后的安全性。

1 試驗(yàn)方法

1．1 水壓爆破試驗(yàn)原理

通過(guò)高壓泵向密閉的試驗(yàn)鋼管內(nèi)持續(xù)注水，試驗(yàn)鋼管內(nèi)的壓力持續(xù)上升，鋼管壓力升到一定的值，鋼管產(chǎn)生變形，直至爆破。運(yùn)用一定的方法測(cè)定鋼管承壓過(guò)程中的變形與壓力的關(guān)系，測(cè)試分析爆破口的起爆和擴(kuò)展情況。

1．2 鋼管承壓應(yīng)力和起爆位置裂口方向分析

爆破鋼管中的靜水壓力既產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，也引起軸向應(yīng)力［2］。按照?qǐng)A柱薄殼無(wú)彎矩理論，可以忽略徑向應(yīng)力。由切向力的平衡條件可以確定爆破管的環(huán)向應(yīng)力（如圖1所示）。選取單位長(zhǎng)度管道，假設(shè)管道由水平面分開(kāi)，則內(nèi)壓（p）作用在分開(kāi)的管道上的垂直合力為pd（d為管道內(nèi)徑），而在管壁上作用環(huán)向應(yīng)力σb，管壁截面的面積為t×1，由切向力的平衡條件得：

式中：p為靜水內(nèi)壓力，M Pa；d管道內(nèi)徑，m m；t管道壁厚，m m；σb環(huán)向應(yīng)力，M Pa。

圖1 薄壁管道環(huán)向應(yīng)力的平衡

式中：A管道橫截面積，m m2；D管道外徑，m m；σa軸向應(yīng)力，M Pa。

圖2 薄壁管道軸向應(yīng)力的平衡

由式（4）得：

由式（5）和式（2）得：

環(huán)向應(yīng)力大于2倍的軸向應(yīng)力，影響承壓的主要是因素是環(huán)向應(yīng)力，因此鋼管的承壓能力是指鋼管的環(huán)向承壓能力。鋼管水壓爆破時(shí)，由于環(huán)向應(yīng)力較大，爆破失效時(shí)，首先是環(huán)向應(yīng)力達(dá)到爆破應(yīng)力，管道縱向起爆后被撕裂，爆破口應(yīng)為縱向。

1．3 水壓爆破試驗(yàn)裝置

X80螺旋埋弧焊接鋼管水壓爆破的試驗(yàn)裝置由壓力表、高壓試驗(yàn)泵、連接管線、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、壓力傳感器、靜水壓爆破管組成，如圖3所示。壓力表可以顯示爆破管內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力值，高壓試驗(yàn)泵的進(jìn)水口為常壓水，通過(guò)高壓泵后，產(chǎn)生一定壓力的高壓水。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)壓力傳感器采集爆破管內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理顯示壓力時(shí)間曲線等，便于數(shù)據(jù)分析。

圖3 靜水壓及爆破試驗(yàn)裝置

爆破管的兩端焊接有2個(gè)封頭，封頭和爆破管是通過(guò)對(duì)焊連接。封頭材料需要一定的強(qiáng)度和韌性，爆破時(shí)，爆破點(diǎn)不能在封頭和對(duì)接焊縫上，如果這樣，爆破試驗(yàn)就算失敗。因此需要保證封頭與爆破管的對(duì)接焊縫的質(zhì)量，對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，以排除焊縫缺陷。

水壓爆破試驗(yàn)場(chǎng)地選在沒(méi)有人員行走或機(jī)動(dòng)車行走的地方［3］，試驗(yàn)場(chǎng)地一般為地面下3～5 m的爆破坑。為了保證試驗(yàn)安全，爆破坑四周壁用一定厚度的鋼板緊貼，或用一定厚度的水泥墻面。爆破坑內(nèi)能夠方便放置爆破管和連接管線，通常放在固定支架上或有導(dǎo)軌的小車上。

2 爆破壓力計(jì)算和試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用某廠生產(chǎn)的?1 219 m m×22 m m X80螺旋埋弧焊接鋼管進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，主要是為了測(cè)試鋼管的屈服壓力、最高壓力和爆破壓力。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m ×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》［4］。

1） 對(duì)螺旋埋弧焊接鋼管管體和焊縫進(jìn)行了化學(xué)成分分析，化學(xué)成分分析結(jié)果如表1。鋼管管體化學(xué)成分分析結(jié)果符合Q／S YGJX 130—2014 《O D1 219 m m×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》。

表1 螺旋埋弧焊鋼管管體和焊縫化學(xué)成分　wb%

2） 螺旋埋弧焊接鋼管拉伸性能試驗(yàn)。對(duì)管體和焊縫分別取樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 螺旋埋弧焊接鋼管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3） 靜水壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m×22 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》，該標(biāo)準(zhǔn)中要求靜水壓試驗(yàn)的穩(wěn)壓時(shí)間至少應(yīng)保持15 s。試驗(yàn)過(guò)程中整個(gè)焊縫或管體無(wú)泄漏，試驗(yàn)后目視無(wú)形狀的變化和管壁鼓起。

試驗(yàn)壓力按式（7）的規(guī)定計(jì)算，環(huán)向應(yīng)力的數(shù)值應(yīng)為鋼管規(guī)定最小屈服強(qiáng)度（Rt0．5）的97%。試驗(yàn)保壓時(shí)的壓力波動(dòng)范圍應(yīng)控制在0～0．5M Pa。同一規(guī)格的鋼管應(yīng)抽取一根鋼管進(jìn)行靜水壓爆破試驗(yàn)，實(shí)際爆破壓力值不應(yīng)低于按公稱尺寸和母材抗拉強(qiáng)度最小值計(jì)算得出的理論爆破壓力值。

式中：σb為環(huán)向應(yīng)力，MPa，等于鋼管規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的97%；t為規(guī)定壁厚，mm；D為規(guī)定外徑，mm。

標(biāo)準(zhǔn)要求靜水壓測(cè)試的穩(wěn)壓壓力為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，穩(wěn)壓壓力為19．5 M Pa，保持時(shí)間至少為15 s，整個(gè)焊縫和管體無(wú)泄漏，方為合格。爆破試驗(yàn)的最小壓力為

當(dāng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度取實(shí)測(cè)值時(shí)，計(jì)算管體開(kāi)始屈服時(shí)的壓力、管體和焊縫所承受的最高壓力值。將實(shí)測(cè)值帶入式（7），可以計(jì)算出管體屈服壓力為

管體爆破試驗(yàn)壓力為

計(jì)算結(jié)果表明，試驗(yàn)過(guò)程中，螺旋埋弧焊接鋼管在壓力達(dá)到23．61 M Pa時(shí)，鋼管將發(fā)生屈服變形，壓力達(dá)到27．43M Pa時(shí)，鋼管可能爆破。如果爆破壓力≥22．56MPa，鋼管設(shè)計(jì)合理。

4） 水壓爆破試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。包括加工和焊接爆破封頭，焊接進(jìn)、出水孔及其接頭，連接管線、安裝壓力傳感器。鋼管爆破前形貌如圖4所示。儀器和設(shè)備連接好后，進(jìn)行高壓試驗(yàn)泵和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試。試驗(yàn)前，先將鋼管中注滿水，排凈空氣，然后往鋼管中注水加壓。

焊接接頭爆破試驗(yàn)壓力為

圖4 鋼管水壓爆破前形貌

5） 試驗(yàn)過(guò)程。包括注水、加壓、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)整理、生成曲線等，水壓爆破時(shí)拉上警戒線，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入水壓爆破場(chǎng)地。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3．1 壓力測(cè)試結(jié)果

通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、整理，得出屈服壓力pt0．5 為23．96 M Pa，最高壓力pm為28．12MPa，爆破壓力pk為27．56MPa，靜水壓及爆破試驗(yàn)壓力時(shí)間曲線如圖5所示。

圖5 靜水壓及爆破試驗(yàn)壓力時(shí)間曲線

3．2 鋼管水壓爆破過(guò)程

在注水加壓過(guò)程中，在試驗(yàn)壓力達(dá)到23．96 M Pa時(shí)，鋼管膨脹均勻；隨著壓力的增加，鋼管管體周長(zhǎng)明顯增大，當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到28．12 M Pa時(shí)，距入水口封頭（東端）3．93 m處的管體出現(xiàn)明顯的膨脹突起，隨著注水加壓的進(jìn)行，突起變形加劇，鋼管在此處爆破。

3．3 爆破口的位置

爆破口中心位置距入水口封頭（東端）3．93 m（爆破口到焊縫的垂直距離為140 m m），爆破口全長(zhǎng)2．65 m，沿鋼管軸向長(zhǎng)度2．15 m，張開(kāi)最大寬度為430 m m，爆破口形狀如圖6所示。爆破口處周長(zhǎng)由3．83m膨脹到3．985m，絕對(duì)膨脹值為155 mm，壁厚減薄到11．1 m m。

圖6 爆破口形狀

3．4 爆破口起裂及擴(kuò)展方向

起爆點(diǎn)位于距入水口封頭（東端）3．93 m的管體母材處（距焊縫垂直距離為140 m m），爆破口沿垂直于鋼管軸線方向起裂后，向鋼管軸向兩側(cè)迅速開(kāi)裂，西端均止裂于管體母材，東端穿過(guò)焊縫后止裂于管體母材（如圖6所示）。

3．5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果

鋼管在19．5 MPa時(shí)，開(kāi)始對(duì)鋼管進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為600 s，未發(fā)現(xiàn)焊縫和管體泄漏，滿足Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》水壓試驗(yàn)要求。測(cè)試的屈服壓力23．96 M Pa，和實(shí)測(cè)值計(jì)算的屈服壓力23． 61MPa相差0．35 MPa；測(cè)試最高壓力28．12M Pa，和實(shí)測(cè)值計(jì)算的焊縫最高壓力27．43MPa相差0．69MPa，大于理論計(jì)算值22．56 MPa，因此該鋼管的設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從爆破口的形貌來(lái)看，爆破口縱向開(kāi)裂，與理論計(jì)算分析結(jié)論一致。

4 結(jié)論

1） 鋼管在19．5 MPa時(shí)，開(kāi)始對(duì)鋼管進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間為600 s，未發(fā)現(xiàn)焊縫和管體泄漏；測(cè)試最高壓力28．12 MPa大于理論計(jì)算值22．56 MPa，滿足Q／SYGJX 130—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

2） 試驗(yàn)管爆破時(shí)的壓力為27．56 MPa，爆口位于管體母材，爆破口為韌性斷裂，爆破開(kāi)口方向與理論分析一致。

［1］ 李舒梅，和育英．長(zhǎng)輸管道用鋼制彎管靜水壓爆破試驗(yàn)研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（12）：56．

［2］ 帥健．于桂杰．管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)［D］．北京：石油工業(yè)出版社，2006．

［3］ 劉洪飛．螺旋縫焊管靜水壓爆破試驗(yàn)分析［J］．鋼管，2011，40（6）：60．

［4］ Q／S YGJX 130—2014，OD1219 mm×22 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件［S］．

Experiment of Hydrostatic Burst Test on X80 Spirai Sub merged Arc Weided Steei Pipe

LUOH uaquan1，Y A N G Lineng1，ZHANG Nan2，CHEN Leilei3
（1．Tubular Goods Research Institute，CNPC，Xi’an710077，China；2．1st Machineru Works，CNP C Bohai Equip ment M anufacturing Co．，Ltd．，Qingxian062658，China；3．N o．1Oil Production Plant，Zhonguuan Oilfield Com panu，SI N O P E C，Puuang457001，China）

H ydrostatic burst test is the design verification testing of carrying capability on spiral sub merged arc welded steel pipe．T he principle of hydrostatic burst test，analysis of steel tube bearing stress and the initiation position of gap direction and testing device etc．a(chǎn)re introduced in this paper．Based on the exa m ple of ?1 219 m m×22 m m X80 spiral sub merged arc welded pipe，the hydrostatic pressure and the blasting test have been done for the pipe．When steel pipe was at 19．5 M Pa，the pipe began to and the holding time was 10 min．T he test results show that the weld and pipe body leakage had not been found after holding pressure．The supreme test pressure w hich was 28．12 M Pa was larger than the theoretical maxim u m pressure minim u m value of 22．56 M Pa．H ydrostatic pressure testing and the highest pressure meet Q／S Y GJX 130 2014《O D1 219 m m×22 m m X80 spiral sub merged arc welded pipe technology conditions》requirements of hydro test，and blasting port was at the pipe body of parent metal w hich was ductile fracture，and the blasting opening direction is consistent with the theoretical analysis．

X80 spiral sub merged arc welded pipe；hydrostatic pressure；burst test

T E973

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．011

1001 3482（2015）06 0047 04

①2014 11 24

羅華權(quán)（1983 ），男，四川達(dá)州人，工程師，碩士，主要從事石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)及研究工作。