油氣管道斷裂擴(kuò)展及止裂技術(shù)研究

王 旭

（中國(guó)石油大學(xué)（北京） 北京 102249）

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油氣管道斷裂擴(kuò)展及止裂技術(shù)研究

王 旭

（中國(guó)石油大學(xué)（北京） 北京 102249）

摘 要：近年來我國(guó)油氣管道發(fā)展迅猛，同時(shí)也伴隨著種種隱患，其中斷裂及裂紋擴(kuò)展問題復(fù)雜而多變，引起的后果也尤為嚴(yán)重。簡(jiǎn)述了油氣管道斷裂的內(nèi)在原因及外在影響因素，介紹了在管道斷裂方面的國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，也闡述了在裂紋擴(kuò)展以及斷裂控制領(lǐng)域國(guó)內(nèi)的研究成果。為管道斷裂、裂紋擴(kuò)展及止裂問題的進(jìn)一步研究，提供了參考。

關(guān) 鍵 詞：管道斷裂；裂紋擴(kuò)展；止裂

油氣管道從制造到施工以及工作運(yùn)行中，很難免會(huì)產(chǎn)生一些裂紋。究其原因：

（1）材料本身：母材分層夾渣。

（2）管道加工：焊接焊縫。

（3）施工過程：表面機(jī)械損傷，現(xiàn)場(chǎng)焊接。

（4）運(yùn)行過程：腐蝕、裂紋擴(kuò)展。

管道上的裂紋隨著時(shí)間和環(huán)境變化擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定情況，達(dá)到起裂條件時(shí)，擴(kuò)展則會(huì)失穩(wěn)，速度猛增（取決于材料的性質(zhì)和溫度），破壞巨大。這種破壞在輸氣管道中尤為明顯，在管內(nèi)高壓氣體作用下，管道一旦破裂將擴(kuò)展綿延數(shù)百米甚至上千米。

鑒于運(yùn)送流體易燃易爆的特點(diǎn)，油氣管道一旦破裂泄露，后果必然是災(zāi)難性的。因此，研究管道破裂的過程，特別是對(duì)輸氣管道破裂后的止裂研究，對(duì)于管道的長(zhǎng)期安全運(yùn)行、以及減少管道斷裂、降低破裂損失具有重要意義。

1 管道斷裂研究

1.1 脆性斷裂研究

脆性斷裂表現(xiàn)為以材料表面、內(nèi)部的缺陷或微裂紋為源，在較低的應(yīng)力水平下（通常不 超過材料的屈服強(qiáng)度），在無塑性變形或只有微小塑性變形的情況下裂紋急速擴(kuò)展。在出現(xiàn)宏觀裂紋后裂紋的擴(kuò)展速度迅速上升到某個(gè)極限速度，大約可達(dá)聲波在該材料中傳播速度的三分之一。在多晶體材料中，斷裂是沿著各個(gè)晶體內(nèi)部的解理面產(chǎn)生的.但由于材料中各個(gè)晶體及解理面的方向是變化的，因而斷裂表面在外觀上呈現(xiàn)粒狀。脆性斷裂有時(shí)主要沿晶界產(chǎn)生，因而稱為晶間斷裂。脆性斷口較平齊，且與正應(yīng)力相垂直，斷口附近的截面，在厚度 上的收縮很小，一般不超過3%。斷口上常有人字紋或放射花紋。由于脆性斷裂前很難發(fā)現(xiàn)預(yù)兆，斷裂時(shí)又容易產(chǎn)生很多碎片，是一種非常危險(xiǎn)的突發(fā)事故，危害較大。

在油氣管道運(yùn)營(yíng)以來，發(fā)生過很多管道脆性斷裂事故，世界管道史上最早也是最嚴(yán)重的一次脆性斷裂事故發(fā)生在1960年，在美國(guó)Trans-Western直徑為762 mm、壁厚為9.5 mm的管線上進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生，破壞時(shí)環(huán)向應(yīng)力僅為0.63（SMYS），而斷裂總長(zhǎng)為13.36 km。此事故以后引起全世界的關(guān)注，并促進(jìn)了斷裂力學(xué)及斷裂動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。我國(guó)最大的一次輸油管道脆性斷裂事故發(fā)生于1974年冬，在大慶至鐵嶺輸油管道復(fù)線進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)，爆破時(shí)環(huán)向應(yīng)力接近SMYS，裂縫長(zhǎng)度約2 km。另據(jù)四川石油管理局統(tǒng)計(jì)，四川氣田1970-1990年間共發(fā)生100余次輸氣管道斷裂事故，大都是焊縫處脆性開裂［1］。

脆性斷裂的產(chǎn)生是由于在承壓狀態(tài)下，管道工作溫度低于鋼管材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATr）所致。后來隨著材料加工工藝的提高，管材韌性的加強(qiáng)，脆性斷裂大量減少，與此同時(shí)延性斷裂事故卻不斷增加。

1.2 延性斷裂研究

延性斷裂是在較大的塑性變形之后發(fā)生的斷裂。它是由于裂紋的緩慢擴(kuò)展而造成的，而 這種裂紋擴(kuò)展又起源于孔穴的形成和合并。延性斷裂的斷口表面外觀特征為無光澤的纖維 狀。大多數(shù)多晶體金屬的拉伸試驗(yàn)的延性斷裂有三個(gè)明顯的階段。首先，試樣開始出現(xiàn)局部 “頸縮”，并在“頸縮”區(qū)域產(chǎn)生小的分散的空穴，接著這些小空穴不斷增加和擴(kuò)大并聚合成微裂紋，裂紋方向一般垂直于拉應(yīng)力方向。最后，裂紋沿剪切面擴(kuò)展到試件表面，剪切面方向與拉伸軸線近似成 45°。這三個(gè)階段就構(gòu)成了通常所見的典型的“杯錐”失效斷面。

由于管徑增加，輸送壓力提高，，引發(fā)了一系列延性斷裂事故，促使了這一領(lǐng)域研究工作的開展，研究的重點(diǎn)是延性斷裂的啟裂、擴(kuò)展和止裂。由于鋼管制造、施工等方面的原因，以及可能存在的腐蝕坑、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞裂紋，大大增加了啟裂（Initiationofafretuer）的可能性。因此，在研究材料韌性與臨界裂紋尺寸相關(guān)性的同時(shí)，人們更加重視裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的防止。

1.2.1 斷裂力學(xué)方法發(fā)展

白永強(qiáng)［2］等通過對(duì)油氣管道內(nèi)表面半橢圓型裂紋的斷裂分析評(píng)估，一種在原基礎(chǔ)上改進(jìn)過J積分估算公式得以提出。并通過使用三維FE計(jì)算得到了J積分的全塑性解，其變量分別為徑厚比、裂紋深度與長(zhǎng)度比、裂紋深度與管壁厚比等。同時(shí)給出了精確度較高的、基于GE/EPRI的沿裂紋尖端的積分預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步研究油氣管道斷裂開拓了路徑。

基于瞬變電磁技術(shù)，埋地管道的壁厚及缺陷得以檢測(cè)，從而使埋地管道斷裂的應(yīng)力和可靠性分析成為可能。黃瓊［3］結(jié)合斷裂力學(xué)、權(quán)函數(shù)和極限分析的理論和方法，得到了新的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，使得埋地管道的斷裂失效分析更為簡(jiǎn)單實(shí)用。

目前管道大范圍屈服斷裂評(píng)估方法中，現(xiàn)有的斷裂力學(xué)方法具有很大的局限性。出于此種考慮，韓克江［4］等介紹了現(xiàn)階段管道斷裂評(píng)估的研究進(jìn)展，并從四個(gè)方面：基于應(yīng)變的斷裂評(píng)估和失效評(píng)估圖、基于約束校正的斷裂韌性測(cè)試和基于斷裂力學(xué)的雙參數(shù)等方面加以詳細(xì)論述。SENT試件是基于約束校正的管道斷裂韌性測(cè)試的主要方法之一，韓克江［4］等重點(diǎn)闡述了基于此的斷裂評(píng)估的研究現(xiàn)狀及存在的一些主要問題。展示了基于應(yīng)變的斷裂評(píng)估方法的前人工作成果，并主要從驅(qū)動(dòng)力方程和CTOD失效準(zhǔn)則兩個(gè)方面給予了詳細(xì)分析。其論述內(nèi)容及研究成果為管道大范圍屈服斷裂評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)于存在環(huán)向表面裂紋的海洋石油管道，李杰［5］利用權(quán)函數(shù)的方法研究其斷裂可靠性問題，得到了能夠滿足工程精度要求的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式。使用極限分析方法建立起了帶裂紋的海洋石油管道斷裂可靠性評(píng)估模型，并且基于此模型導(dǎo)出了斷裂失效概率和可靠度的計(jì)算公式。計(jì)算結(jié)果表明：應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長(zhǎng)度和深度呈正相關(guān)；當(dāng)彎矩不變，其他項(xiàng)為隨機(jī)變量時(shí)，帶裂紋的海洋管道的可靠度與裂紋深度和長(zhǎng)度、管道壁厚和半徑無關(guān)，與軸力均值呈負(fù)相關(guān)。

金偉良［6］等詳細(xì)介紹了基于FAD的斷裂評(píng)估技術(shù)，利用此技術(shù)可得到管道任何位置的極限裂紋長(zhǎng)度，包括不同受力狀態(tài)下的含焊接裂紋管道；然后闡述了英國(guó)規(guī)范BS7910：1999應(yīng)用于海底石油管道斷裂評(píng)估方法，通過基于此斷裂評(píng)估的疲勞評(píng)估方法，可得到管道在復(fù)雜動(dòng)荷載作用下的疲勞壽命。這些方法對(duì)我國(guó)海底石油管道的發(fā)展及斷裂疲勞評(píng)估提供了一定的參考。

1.2.2 沖擊實(shí)驗(yàn)法

利用夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，吳金輝［7］等分析了管道材料在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，斷裂過程中力的變化、沖擊吸收能量和宏觀斷口關(guān)系。利用引進(jìn)剪切面積這一技術(shù)指標(biāo)來描述材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。最后指出管道材料韌性完整評(píng)價(jià)必須從夏比沖擊功和剪切面積兩個(gè)方面入手。

為研究X80大口徑三通的低溫?cái)嗔秧g性和尺寸效應(yīng)，王海濤［8］等通過夏比沖擊、落錘撕裂和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)合失效評(píng)估圖技術(shù)進(jìn)行了探索。結(jié)果表明：對(duì)低溫夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，X80大口徑三通具有良好表現(xiàn)，相反低溫落錘撕裂，表現(xiàn)較差；基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)計(jì)算的X80三通失效評(píng)估點(diǎn)均在處于安全區(qū)域。

曹歡［9］通過對(duì)不同方法測(cè)試的管道材料斷裂韌性參數(shù)的綜合比較，結(jié)合已有的研究成果，總結(jié)出測(cè)試高鋼級(jí)管道鋼斷裂韌性的最佳參數(shù)是J積分和CTOD。通過對(duì)X80管道材料在低溫（0 ℃）和常溫（26℃）的實(shí)驗(yàn)，證明了CTOD和J積分參數(shù)在高鋼級(jí)管道鋼中的適用性。同時(shí)還研究了X8O管道斷裂韌性，以及CTOD和J積分在管線軸向和橫向這兩個(gè)方向上的的J-CTOD關(guān)系，為下一步高鋼級(jí)管道的斷裂韌性研究提供了參考。

1.2.3 模型法及綜合方法

鄭洪龍［10］基于油氣管道脆性斷裂和彈塑性斷裂事故的分析，在雙判據(jù)法的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)雙判據(jù)法和和雙系數(shù)法用來解決確定性問題。而后又引入了模糊概率斷裂分析方法來解決不確定性問題。

通過建立新的輸氣管道減壓波模型，宮敬等［11］研究了發(fā)生相變時(shí)的減壓波特性，并計(jì)算分析了氣質(zhì)、壓力、溫度等對(duì)減壓波傳播的影響，得到結(jié)論：減壓波特性隨著重組分的增加、壓力的增大和溫度的降低將由氣體單相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上?。?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步研究輸氣管道斷裂過程中的減壓波特性奠定了基礎(chǔ)。

基于斷裂力學(xué)原理，盛燕［12］建立起了大管徑含穿透裂紋管道的有限元模型，在靜載荷作用下得到了應(yīng)力強(qiáng)度因子，繪制了應(yīng)力強(qiáng)度因子和不同斷裂參數(shù)之間的變化規(guī)律圖，從而得到了修正因子。在平面裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的修正得到了管道裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的修正系數(shù)F的表達(dá)式，從而為大管徑油氣管道的完整性評(píng)估提供了理論支撐。

魏東吼［13］等總結(jié)了數(shù)值計(jì)算、斷裂力學(xué)、雙判據(jù)及簡(jiǎn)化的工程評(píng)定等對(duì)含缺陷油氣管道斷裂失效的評(píng)定方法，重點(diǎn)分析介紹了利用FAD即失效評(píng)定圖的管道完整性評(píng)定方法。并且提出了基于FAD的油氣管道含周向裂紋的完整性評(píng)定的主要方法，為保障油氣管道的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

2 裂紋擴(kuò)展及控制研究

2.1 實(shí)驗(yàn)法

為研究油氣管道中裂紋擴(kuò)展初始階段曲折角度的影響因素，馬有理等［14］選取了退火預(yù)裂紋，其應(yīng)力比R=-1，分別取β=30°、45°、60°的傾斜角度，詳細(xì)考察了裂紋初始階段在混合型應(yīng)力作用下的擴(kuò)展路線。結(jié)合靜載荷作用下測(cè)量的裂紋擴(kuò)展路線分布。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：開口和滑移方向上的位移量的理論值在傾斜角度較小時(shí)大于測(cè)量值?；谧畲笄芯€方向的應(yīng)力準(zhǔn)則，傾斜角度較大的疲勞裂紋可利用理論計(jì)算的位移量來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而傾斜角度較小的疲勞裂紋的擴(kuò)展路線的預(yù)測(cè)，只能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的位移量來實(shí)現(xiàn)。

基于國(guó)產(chǎn)X70，X80管線鋼的夏比沖擊試驗(yàn)（CVN）和單拉伸試驗(yàn)，陳福來［15］等利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的管線鋼CVN和力學(xué)性能指標(biāo)，計(jì)算并分析了對(duì)管道斷裂擴(kuò)展速度有影響的諸如流變應(yīng)力、CVN沖擊功、徑厚比以及管體外圍環(huán)境等因素的影響，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。結(jié)合減壓波速和裂紋擴(kuò)展速度，基于速度準(zhǔn)則陳福來［19］編譯了程序，為實(shí)際工程的止裂設(shè)計(jì)提供了支持。

2.2 有限元模擬

通過有限元模擬埋地管道在跨越斷層條件下管道的裂紋擴(kuò)展情況，王鵬［16］分析了管道壁厚、管徑、傾角和表面摩擦等因素對(duì)管道裂紋擴(kuò)展的影響。記錄了不同情況下裂紋的擴(kuò)展軌跡、裂紋長(zhǎng)度和深度以及靜載荷作用下J積分，為研究工程實(shí)際管道的裂紋擴(kuò)展過程提供了參照和理論依據(jù)。

基于有限元軟件ABAQUS建立起的內(nèi)表面裂紋管道的三維線彈性有限元模型，祁濤等［17］利用Paris公式分析裂紋的擴(kuò)展，得到了在不同載荷作用下，管道內(nèi)表面非中心裂紋的擴(kuò)展規(guī)律和路徑，以及裂紋偏移角度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。其計(jì)算結(jié)果與中心裂紋的分析結(jié)果比較表明：基于LBB分析，裂紋的偏心對(duì)泄露裂紋計(jì)算存在影響，而裂紋穩(wěn)定性分析中則與裂紋是否偏心無關(guān)。

不排除輸氣管道裂紋擴(kuò)展過程中的衰減情況，白永強(qiáng)［18］利用建立的有限元模型實(shí)現(xiàn)了裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展模擬。分別計(jì)算分析了影響動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的兩項(xiàng)參數(shù)：能量釋放率和裂紋尖端張開角。進(jìn)一步分析得到了結(jié)論：管道內(nèi)壓與管道裂紋擴(kuò)展正相關(guān)；管道壁厚對(duì)裂紋擴(kuò)展有較大影響；止裂長(zhǎng)度與裂紋尖端張開角正相關(guān)；最大裂紋速度越大，止裂難度越高。

關(guān)于輸氣管道裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展中的流體結(jié)構(gòu)斷裂相互作用問題的力學(xué)模型，帥建［19］等將其歸納為一維梁模型、圓柱殼模型和有限元模型3種。并通過研究表明：對(duì)高韌性鋼，可通過確定裂紋尖端張開角來改進(jìn)現(xiàn)有的止裂韌性預(yù)測(cè)方法，從而避免傳統(tǒng)的CVN和DWTT方法產(chǎn)生的與斷裂無關(guān)能量損失；為控制動(dòng)態(tài)延性斷裂裂紋擴(kuò)展造成的危害，止裂韌性值和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度均有預(yù)測(cè)必要；可通過采用適應(yīng)裂尖運(yùn)動(dòng)情況的重新劃分網(wǎng)格技術(shù)來改進(jìn)現(xiàn)有的有限元模擬方法。

輸氣管道的止裂可通過加強(qiáng)管道自身韌性或者外加止裂構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)，陳福來［20］等詳細(xì)介紹了不同止裂方法和構(gòu)件的止裂原理以及相關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)介紹并評(píng)析了關(guān)于裂紋尖端張開角的幾個(gè)代表性預(yù)測(cè)模型，比較全面闡述了基于最低夏比沖擊功的止裂計(jì)算公式以及近年來在該領(lǐng)域取得的研究成果。指明了未來管材的發(fā)展趨勢(shì)，為管道設(shè)計(jì)研究以及管道安全維護(hù)提供了依據(jù)。

輸氣管道斷裂控制中一個(gè)比較關(guān)鍵的問題是管道斷裂過程中減壓波速的計(jì)算。非等熵效應(yīng)在小管徑中較為明顯，所以陳福來［21］建立等熵理論模型和非等熵理論模型來分別計(jì)算求解減壓波速。并且編譯了基于三特征線法求解氣體減壓波的程序，分析了各種因素對(duì)管道斷裂過程中氣體減壓波的影響，指出氣體減壓波速與起始?jí)毫?、起始溫度、介質(zhì)和管道直徑均有關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)語及展望

2011年西氣東輸二線工程全線貫通，這是國(guó)內(nèi)首次在天然氣管道上大規(guī)模采用X80鋼，標(biāo)志著我國(guó)已全面突破了X80鋼板、鋼管的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該工程累計(jì)使用X80鋼267萬t，相當(dāng)于西二線之前全球使用X80鋼20年的總和。

西氣東輸?shù)墓こ虒?shí)踐表明我國(guó)在高鋼級(jí)管道施工、天然氣高壓輸送領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際一流水平。但在高鋼級(jí)管道的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，我們?nèi)耘f是亦步亦趨，一直在追趕世界的腳步［22］。

隨著X100鋼管的進(jìn)一步研發(fā)，對(duì)止裂技術(shù)提出了更高的要求，研究高鋼級(jí)管道斷裂止裂技術(shù)的迫切性與必要性進(jìn)一步顯現(xiàn)。

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The Technology Status of Fracture Propagation and Crack Arrest of Pipelines

WANG Xv
（China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract:In recent years， the pipelines of oil and gas developed rapidly， but a variety of risks were accompanied. Fracture and crack propagation in pipelines are complex and changeable， which can cause particularly serious consequences. In this paper， underlying causes and outside factors to cause the oil and gas pipeline ruptures were described， the research status and progress in terms of pipeline ruptures were also introduced， and the research achievements in the field of crack propagation and fracture control were summarized.

Key words:Pipeline fracture；Crack propagation；Crack arrest

中圖分類號(hào)：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）02-0332-04

收稿日期：2015-10-21

作者簡(jiǎn)介：王旭（1991-），男，河南南陽人，在讀碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）過程裝備與控制工程專業(yè)，目前就讀于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油與天然氣工程專業(yè)碩士，從事于油氣儲(chǔ)運(yùn)安全方面的研究。E-mail：wangx_1991@126.com。