一種天然氣和石油管道屈服強(qiáng)度的檢測方法

岑曉燕,徐惟誠

(寶山鋼鐵股份有限公司 制造管理部,上海 200941)

鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)?zāi)茌^為全面地反映鋼管實(shí)物的力學(xué)性能水平，是管線工程中必不可少的一項(xiàng)檢測項(xiàng)目。多個(gè)管線鋼管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書都對靜水壓試驗(yàn)進(jìn)行了要求和規(guī)定，一般要求靜水壓爆破試驗(yàn)的實(shí)際爆破壓力不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。而筆者所在的試驗(yàn)室接到一項(xiàng)試驗(yàn)委托，需用澳大利亞/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 2885.5:2012《管道-氣態(tài)和液態(tài)石油 第5部分：現(xiàn)場壓力測試》[1]進(jìn)行試驗(yàn)，并且提供規(guī)定非比例延伸率為0.2%時(shí)的強(qiáng)度Rp0.2、規(guī)定總延伸率為0.5%時(shí)的強(qiáng)度Rt0.5、爆破點(diǎn)的半斜率屈服強(qiáng)度(1/2斜率屈服強(qiáng)度)和實(shí)際斜率，以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線和壓力-進(jìn)水量曲線。AS/NZS 2885.5:2012建議經(jīng)過冷擴(kuò)徑的鋼管采用壓力-進(jìn)水量曲線的斜率來確定屈服強(qiáng)度，即以壓力-進(jìn)水量曲線彈性變形期間的斜率的1/2斜率線與壓力-進(jìn)水量曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。由于試驗(yàn)室的爆破試驗(yàn)設(shè)備是按照SY/T 5992—2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)方法》[2]設(shè)計(jì)的，僅限于計(jì)算鋼管內(nèi)的壓力值，對于測試屈服強(qiáng)度及斜率計(jì)算等內(nèi)容，鑒于現(xiàn)有設(shè)備及測試軟件的限制，不能自動獲得。為此，筆者通過試驗(yàn)探討了利用現(xiàn)有設(shè)備獲取實(shí)際斜率以及屈服強(qiáng)度的定量求取方法，為試驗(yàn)設(shè)備擴(kuò)展出屈服強(qiáng)度計(jì)算能力提供了技術(shù)方案。

1 試驗(yàn)方法

試樣為X42M鋼級的UOE焊管管段，選用兩種規(guī)格：φ914 mm×12.7 mm(T1、T2號鋼管)、φ914 mm×11.9 mm(T3、T4號鋼管)，其中T1和T3號鋼管為光管，T2和T4號鋼管為涂層管，試樣長度約為5 m。

試樣兩端采用鋼板焊接密封，密封板上還用加強(qiáng)筋焊接固定。試驗(yàn)前先向試樣中注滿水，排凈空氣，然后往試樣中繼續(xù)注水加壓。借助現(xiàn)有鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。由于靜水壓爆破試驗(yàn)設(shè)備未提供求屈服強(qiáng)度的方法，決定采用Excel軟件求取屈服強(qiáng)度。

筆者采用AS/NZS 2885.5:2012的方法計(jì)算靜水壓爆破試驗(yàn)過程中壓力-進(jìn)水量曲線直線段的斜率，即實(shí)際斜率，以及各種屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)。因此，在管段試樣不同位置安裝兩個(gè)拉線傳感器，以跟蹤鋼管周長的應(yīng)變數(shù)據(jù)，即環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到1%時(shí)拆除傳感器，隨后繼續(xù)加壓至試樣破裂。

2 計(jì)算方法

2.1 理論斜率的計(jì)算方法

AS/NZS 2885.5：2012規(guī)定，加壓過程中，需要對壓力-進(jìn)水量曲線的實(shí)際斜率和按附錄C計(jì)算的理論斜率進(jìn)行比較，差值應(yīng)小于10%，否則必須停止試驗(yàn)，并分析原因，直到滿足該規(guī)定。

該次靜水壓爆破試驗(yàn)屬于非約束性試驗(yàn)，即周向和縱向均沒有限制變形，因此采用AS/NZS 2885.5：2012附錄C給出的公式計(jì)算理論斜率，如下：

(1)

當(dāng)以水作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，ΔT=0 ℃，Δp=1 kPa，進(jìn)水量-壓力的斜率Δpfactor可通過下式求取:

(2)

鋼管測試部分的初始壓力p可通過下式求取:

(3)

式中：pleakmin為泄漏時(shí)的試驗(yàn)壓力,取設(shè)計(jì)壓力的1.1倍,26 038.7 kPa;Zmax為鋼管服役海拔時(shí)的最高海拔;Zmin為最低海拔；ρ為水的密度,取1 000 kg·m-3;gc為重力加速率,取9.81 m·s-2。

試驗(yàn)介質(zhì)的可壓縮性A可通過下式求取:

(4)

式中：Ttest是試驗(yàn)過程中的初始溫度。

算出A后即可求出Δpfactor。鋼管加壓體積增加后，壓力-所增加體積曲線的斜率pVslope可由下式計(jì)算出:

pVslope=ΔpfactorV0

(5)

式中：Vslope為試驗(yàn)過程中壓力-進(jìn)水量呈線性關(guān)系時(shí)總水量的體積，理論斜率為1/pVslope。

2.2 彈性段實(shí)際斜率的計(jì)算方法

試樣彈性段實(shí)際斜率可以通過試驗(yàn)過程的進(jìn)水量和壓力數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。數(shù)據(jù)擬合可以采用Excel、Matlab、Origin等軟件進(jìn)行，筆者采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及曲線繪制。用Excel圖表類型中的散點(diǎn)圖繪制成壓力-進(jìn)水量曲線，并采用Excel將彈性段的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到直線段的擬合方程，即求得實(shí)際斜率，具體案例見圖1。圖1為光管T1壓力-進(jìn)水量曲線的壓力-進(jìn)水量擬合曲線，光管T1壓力-進(jìn)水量曲線的實(shí)際斜率為0.432 6。

圖1 光管T1的壓力-進(jìn)水量擬合曲線Fig.1 Fitting curve of pressure-water inflow of uncoated pipe T1

2.3 屈服強(qiáng)度的測定和計(jì)算方法

2.3.1 1/2斜率屈服強(qiáng)度的測定和計(jì)算方法

AS/NZS 2885.5:2012中靜水壓爆破試驗(yàn)的壓力-進(jìn)水量曲線1/2斜率屈服強(qiáng)度的測定，可以使用放大后的壓力-進(jìn)水量曲線進(jìn)行分析，根據(jù)坐標(biāo)值的變化率來確定。如彈性段直線斜率為0.3 MPa·L-1，當(dāng)壓力-進(jìn)水量曲線圓弧段切線斜率為0.15 MPa·L-1時(shí)，相切點(diǎn)即為屈服強(qiáng)度。而曲線放大倍率與壓力和進(jìn)水量測量的分辨率以及曲線的波動性有一定的關(guān)系，倍率過高時(shí)，曲線有跳動現(xiàn)象并不便于1/2斜率屈服強(qiáng)度的求取。

1/2斜率屈服強(qiáng)度可以根據(jù)壓力、進(jìn)水量通過設(shè)備安裝的軟件求取，也可借助Excel軟件求取。采用Excel軟件時(shí)，先采用巴洛(Barlow)公式將壓力轉(zhuǎn)換為環(huán)向應(yīng)力，巴洛公式見式(6)[3]，再將導(dǎo)出的進(jìn)水量和應(yīng)力數(shù)據(jù)用Excel軟件圖表類型中的散點(diǎn)圖繪制出應(yīng)力-進(jìn)水量曲線。1/2斜率屈服強(qiáng)度的計(jì)算即采用壓力-進(jìn)水量曲線，在曲線上求得斜率線以及相應(yīng)的1/2斜率切線，找出對應(yīng)的切點(diǎn)即得出屈服強(qiáng)度。

S=pD/2t

(6)

式中：S為鋼管內(nèi)部靜水壓力在管壁上產(chǎn)生的單位周向應(yīng)力。

2.3.2Rp0.2和Rt0.5的測定

Rp0.2和Rt0.5從應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)中求得(應(yīng)變記錄至1%)，其應(yīng)變值由拉線傳感器采集。另外也可采用Excel軟件，將導(dǎo)出的壓力值轉(zhuǎn)換為環(huán)向應(yīng)力值，用散點(diǎn)圖繪制成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在曲線上畫出斜率線以及0.2%對應(yīng)的平行線、0.5%對應(yīng)的垂直線，分別找到他們與曲線相應(yīng)的交點(diǎn)，得出Rp0.2以及Rt0.5的數(shù)值，如圖2所示。

圖2 Rp0.2和Rt0.5的求取示意圖Fig.2 Schematic diagram of Rp0.2 and Rt0.5 calculation

3 分析與討論

通過上述方法，可以將4根試樣借助鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)繪制成3類試驗(yàn)曲線，從中計(jì)算出實(shí)際斜率、1/2斜率屈服強(qiáng)度、Rp0.2及Rt0.5。

最終算得4根試樣的理論斜率和實(shí)際斜率見表1。AS/NZS 2885.5：2012規(guī)定,在加壓過程中，壓力-進(jìn)水量曲線的實(shí)際斜率和理論斜率差值率應(yīng)小于10%，否則必須停止試驗(yàn)，并分析原因，直到解決該問題。從表1可知，4根試樣的理論斜率和實(shí)際斜率差值均小于10%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 試樣的理論斜率和實(shí)際斜率Tab.1 Theoretical slopes and actual slopes of the samples

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、繪圖和計(jì)算得出1/2斜率屈服強(qiáng)度、Rp0.2及Rt0.5，見表2。由表2可知，通過前文所述的方法和計(jì)算公式可以方便快捷地獲得鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)的1/2斜率屈服強(qiáng)度、Rp0.2及Rt0.5，其中與鋼管管體橫向拉伸試驗(yàn)得到的Rt0.5數(shù)據(jù)基本一致，表明上述方法獲得的數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié)論

(1)筆者提出的計(jì)算方法得到了1/2斜率屈服強(qiáng)度、實(shí)際斜率、Rp0.2及Rt0.5,且Rt0.5與實(shí)際拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)基本一致。

(2)當(dāng)試驗(yàn)室沒有AS/NZS 2885.5計(jì)算屈服強(qiáng)度的鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，可借助Excel軟件并套用標(biāo)準(zhǔn)給出的公式，來求取所需要的屈服強(qiáng)度。根據(jù)此計(jì)算方法，可以為鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)設(shè)備擴(kuò)展出屈服強(qiáng)度計(jì)算能力。