焊管靜水壓試驗相關(guān)問題的探討

蘇 琦，秦小虎，王少華

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

焊管靜水壓試驗相關(guān)問題的探討

蘇 琦，秦小虎，王少華

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

介紹了焊管靜水壓試驗采用的徑向密封和端面密封兩種密封形式以及壓力計算公式。針對焊管不同的使用條件，對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力與理論壓力之間的差異進(jìn)行對比分析，提出了焊管靜水壓試驗密封系數(shù)及通用壓力計算公式，并對采用不同壓力計算公式計算的鋼管水壓試驗壓力值進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)給出的壓力計算公式比較保守，計算的試驗壓力相對較低；無論采用端面密封還是徑向密封方式，利用本研究提出的密封系數(shù)及通用壓力計算公式，可以方便地確定鋼管水壓試驗的壓力值。

焊接鋼管；靜水壓試驗；環(huán)向應(yīng)力系數(shù)；試驗壓力；密封系數(shù)

鋼管靜水壓試驗作為焊管生產(chǎn)過程中最重要的檢測手段，已成為制造工藝流程中必不可少的檢驗項目之一，對提高產(chǎn)品出廠質(zhì)量和使用安全性至關(guān)重要。在重要的鋼管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，都對靜水壓試驗做出了明確規(guī)定。

鋼管靜水壓試驗主要有3個優(yōu)點(diǎn)：①可以將更多大尺寸缺陷擴(kuò)展至臨界尺寸，從而被暴露而返修或清除，把問題解決在出廠之前；②在殘存的小缺陷尖端處造成局部塑性變形引起鈍化，降低缺陷的臨界擴(kuò)展率，卸壓后在缺陷尖端區(qū)域周圍引起局部殘余壓縮應(yīng)力，對缺陷的擴(kuò)展起到抑制作用并提高含裂紋體的抗斷裂能力；③可以消除更多引起管道斷裂的有危害的成型和焊接殘余應(yīng)力[1]。

根據(jù)不同的試驗壓力和鋼管尺寸等因素，目前鋼管靜水壓試驗的端部密封主要采用徑向密封和端面密封兩種形式。

1 徑向密封條件下的鋼管靜水壓試驗

徑向密封是將裝在試壓頭上的徑向密封圈深入鋼管內(nèi)部，通過內(nèi)部加壓膨脹以實(shí)現(xiàn)密封圈與鋼管內(nèi)壁的接觸，從而達(dá)到管口密封效果的端部密封形式。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗壓力計算公式

在API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 9711中，規(guī)定徑向密封情況下鋼管靜水壓試驗壓力公式[2-3]為

式中：D—鋼管規(guī)定外徑，mm；

t—鋼管規(guī)定壁厚，mm；

S—鋼管靜水壓試驗環(huán)向應(yīng)力，S=k1σs，MPa。

因此鋼管靜水試驗壓力計算公式就表示為

式中：k1—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗環(huán)向應(yīng)力系數(shù)；

σs—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼管最小屈服強(qiáng)度，MPa。

1.2 理論試驗壓力計算公式

在徑向密封條件下，根據(jù)受力分析，按照最大剪切強(qiáng)度理論，鋼管理論靜水壓試驗計算壓力應(yīng)該采用

1.3 兩種壓力計算公式的差異

對比公式（2）與公式（3）， 兩者差值為

也就是說，用公式（2）計算的試驗壓力比用公式（3）計算的試驗壓力要低，而且隨著厚徑比的增加，其計算壓力差值按照二次關(guān)系增加。壓力降低幅度為

如果要保證計算誤差在5%以內(nèi)，鋼管厚徑比（t/D）就要小于2.5%。隨著厚徑比的增加，計算誤差也隨之增加。

1.4 鋼管實(shí)際環(huán)向應(yīng)力系數(shù)

按照上述討論，采用公式（2）計算的試驗壓力試壓時，鋼管環(huán)向應(yīng)力并沒有達(dá)到預(yù)期的應(yīng)力，所以環(huán)向應(yīng)力系數(shù)也就沒有達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，根據(jù)推導(dǎo)，鋼管的實(shí)際環(huán)向應(yīng)力系數(shù)k2與標(biāo)準(zhǔn)給定的環(huán)向應(yīng)力系數(shù)k1關(guān)系為

從公式（6）可以看出，焊接鋼管靜水壓試驗中，鋼管實(shí)際環(huán)向應(yīng)力系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定環(huán)向應(yīng)力系數(shù)與鋼管徑厚比相關(guān)，在徑厚比一定的情況下，實(shí)際應(yīng)力系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)力系數(shù)呈線性關(guān)系。

當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)給定的壓力計算公式計算壓力時，鋼管環(huán)向應(yīng)力系數(shù)并沒有達(dá)到要求，如果為了保證鋼管實(shí)際環(huán)向應(yīng)力系數(shù)達(dá)到給定的應(yīng)力系數(shù)，就應(yīng)該調(diào)整給定環(huán)向應(yīng)力系數(shù)。

2 端面密封條件下鋼管靜水壓試驗

端面密封是依靠密封材料在管口端面被壓迫產(chǎn)生彈性變形，從而達(dá)到管口密封效果的端部密封形式。端面密封以其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、工裝較少的特點(diǎn)，在大直徑鋼管水壓試驗中得到廣泛應(yīng)用。但是,端面密封適應(yīng)的壓力較低，一般不超過30 MPa。同時為了保證密封效果，在鋼管兩端必須施加端面密封壓力，從而使鋼管在水壓過程中承受軸向應(yīng)力，使鋼管水壓過程中的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗壓力計算公式

在端面密封條件下，鋼管靜水壓計算公式分為兩種情況。當(dāng)試驗壓力較低或試驗應(yīng)力系數(shù)較低時，采用公式（2）計算試驗壓力。當(dāng)試驗壓力較高或試驗應(yīng)力系數(shù)較高時（k1＞90%），就需要考慮端面密封應(yīng)力對鋼管水壓試驗造成的影響，避免鋼管進(jìn)入塑性狀態(tài)。

按照第三強(qiáng)度理論，可以推導(dǎo)出鋼管端面密封條件下鋼管靜水壓計算公式[4]為

式中：pR—端面密封液壓缸內(nèi)油壓，MPa；

AR—端面密封液壓缸橫截面積，mm2；

AP—管壁橫截面積，mm2；

AL—鋼管內(nèi)徑橫截面面積，mm2。

公式（7）是API標(biāo)準(zhǔn)給出的考慮軸向應(yīng)力情況下的試驗壓力計算公式。這個公式比較麻煩，除了需要鋼管相關(guān)參數(shù)外，還需要知道水壓機(jī)的相關(guān)參數(shù)。而且按此式計算時，因為液壓缸內(nèi)油壓與水壓相關(guān)，隨著油壓的變動，水壓也跟著變動，導(dǎo)致同一批鋼管水壓值不一致。

2.2 靜水壓試驗計算公式的統(tǒng)一表達(dá)式

鋼管靜水壓試驗是為了檢測鋼管在一定壓力下的承壓能力，鋼管靜水壓試驗只是與鋼管承受的壓力有關(guān)，在端面密封情況下，除了考慮鋼管承受的環(huán)向壓力外，還需要考慮鋼管的軸向壓力。

假設(shè)鋼管承受的壓力為p，鋼管承受的軸向密封壓力與鋼管試驗的壓力相關(guān)，假設(shè)軸向壓力為mp，按照第三強(qiáng)度理論，鋼管試驗壓力計算公式為

式中：m—密封系數(shù)。

從公式（8）可以看出，當(dāng)采用徑向密封形式時，m=0，公式（8）變成公式（2）的形式，所以徑向密封只是公式（8）的一種特殊形式。

2.3 密封系數(shù)m的確定

密封系數(shù)m與密封材料的特性、鋼管規(guī)格、應(yīng)力系數(shù)及管端質(zhì)量有關(guān)，是一個變量。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)應(yīng)力系數(shù)超過0.9時，用公式（7）計算試驗壓力不得低于1.8 tσs/D，按此要求可以得出

則m的取值范圍在0～5D(k-0.9)/9t時，均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但是各廠家可能對m取值不一致，導(dǎo)致水壓試驗壓力的不一致，為了避免這種情況的發(fā)生，規(guī)定m取值統(tǒng)一為5D(k-0.9)/9t的1/2，這樣，既能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，也可以使水壓試驗壓力統(tǒng)一。

這樣鋼管水壓試驗壓力計算公式可統(tǒng)一寫成

由此可以看出，當(dāng)鋼管規(guī)格、材質(zhì)、應(yīng)力系數(shù)確定后，鋼管的水壓值也就確定，而且符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 理論試驗壓力計算公式

同理，我們可以推算出端面密封條件下鋼管理論水壓計算公式為

3 不同密封條件下鋼管靜水壓試驗壓力的比較

在最小屈服強(qiáng)度和環(huán)向應(yīng)力系數(shù)一定的情況下，表1給出了不同壓力計算公式計算的鋼管水壓試驗壓力。從表1可以看出，無論是徑向密封還是端面密封，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力計算公式比較保守，計算出的理論壓力值相對較低。

表1 不同規(guī)格鋼管不同公式計算的試驗壓力

4 結(jié)論

（1）標(biāo)準(zhǔn)給出的壓力計算公式比較保守，計算的試驗壓力相對較低；

（2）無論采用端面密封還是徑向密封，本研究給出了通用壓力計算公式，計算相對方便；

（3）決定試驗壓力的關(guān)鍵是密封系數(shù)的選取，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，本研究給出了密封系數(shù)計算公式；

（4）利用密封系數(shù)和通用壓力計算公式，可以方便地確定鋼管水壓試驗壓力，而且壓力是唯一確定的；

（5）按照標(biāo)準(zhǔn)給定的徑向密封條件的壓力計算公式，即使在端面密封條件下計算試驗壓力，也不會導(dǎo)致鋼管實(shí)際壓力超過屈服強(qiáng)度。

［1］李必文，陶文輝，殷立洪.鋼管靜水壓試驗端部密封形式的應(yīng)用探討[J].鋼管，2008，37（2）:61-64.

［2］API SPEC 5L(第45版)， 管線鋼管規(guī)范[S].

［3］GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

［4］劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].第5版.北京:高等教育出版社，2011.

［5］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].第2版.北京:中國石化出版社,2010.

［6］武占芳，任景輝，薛向庭.鋼管水壓試驗用端面密封材料與密封技術(shù)的研究與開發(fā)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1998:164-166.

［7］畢宗岳.端面密封條件下鋼管靜水壓試驗壓力的確定[J].焊管， 2006， 29（1）:62-64.

［8］武憲功.大直徑鋼管在軸向壓力作用下的極限承載能力分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2010，23（2）:126-129.

［9］劉洪飛.鋼管靜水壓機(jī)水壓與油壓的計算[J].焊管,2009， 32（8）:47-54.

［10］金兆光，田華蕊.超高壓油缸活塞密封設(shè)計與研究[J].鞍鋼技術(shù)， 1997（5）:51-52.

Discussion on Relevant Problems of Welded Pipe Hydrostatic Test

SU Qi,QIN Xiaohu,WANG Shaohua
（Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In this article,it introduced radial sealing,end face sealing and pressure calculating formula in welded steel pipe hydrostatic test.According to different using conditions,the differences between standard pressure and theoretical pressure were contrasted and analyzed.The sealing coefficient,general pressure calculation formulas were put forward,and the steel pipe hydrostatic test pressure values by different pressure calculation formula were compared.The research results showed that the pressure calculation formula from standard is conservative,the test pressure is relatively low;whether use end face sealing or radial sealing,it can conveniently determine steel pipe hydrostatic test pressure value by using the sealing coefficient and general pressure calculation formulas in this study.

welded pipe;hydrostatic test;circumferential stress coefficient;test pressure;seal coefficient

TG115.6

B

1001－3938（2015）10-0042-03

蘇 琦（1956—），男，高級工程師，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司副總工程師，長期從事鋼管生產(chǎn)、工藝、設(shè)備技術(shù)研究及管理工作。

2015-06-04

羅 剛