X80管線鋼管延性斷裂控制技術(shù)探討

富崇悅 托 博 牛志勇 岳 陽 喬 峰

（1.國家管網(wǎng)集團山東天然氣管道有限公司，山東 濟南 250000；2.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司蘭州輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730060；5.中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

0 引言

油氣勘探向極地、沙漠、海洋拓展，惡劣環(huán)境給新建管道建設(shè)提出更高要求。大口徑、高壓力、高鋼級成為長輸管道發(fā)展方向。因管材鋼級和輸送壓力提高，管道脆性斷裂事故基本消除，主要預防延性斷裂事故。輸氣管道斷裂會造成災難后果，1960年美國TransWstern輸氣管道破裂，鋼級X56、管徑762mm，破裂長度達13km。1989年前蘇聯(lián)烏拉爾山隧道輸氣管道泄漏引發(fā)爆炸燒毀兩列火車，死傷800多人。輸氣管道延性斷裂一直是研究熱點問題[1]。夏比V型沖擊功CVN是管材斷裂韌性重要評價指標。以西氣東輸二線為例，闡述了根據(jù)Battelle雙曲線模型、國外管道爆破試驗數(shù)據(jù)庫和經(jīng)濟安全原則，確定X80管線鋼管斷裂韌性指標?？偨Y(jié)研究路線成果可為我國新建高鋼級、大口徑、高壓力管道工程提供借鑒。

1 典型管道斷裂控制模型

鋼管制造、施工和服役過程中產(chǎn)生缺陷及機械損傷，增加了裂紋萌生概率。天然氣減壓波速度約400m/s，遠低于原油減壓波速度約1500m/s，裂紋擴展速度低于介質(zhì)減壓波速度時裂紋停止擴展。輸油管道主要是起裂控制，輸氣管道應(yīng)考慮起裂控制和止裂控制。國外針對輸氣管道延性斷裂開展深入研究，管材止裂韌性與管道環(huán)向應(yīng)力、管徑、壁厚等因素有關(guān)，代表性管材止裂韌性預測Battelle公式，如式（1）所示。其他機構(gòu)提出的止裂韌性公式源于Battelle公式，英國天然氣公司考慮了裂紋擴展初始速度，如式（2）所示；CSM考慮管道埋深，如式（3）所示。

式中σH環(huán)應(yīng)力，MPa；R管徑，m；t壁厚，m；v0裂紋擴展初始速度，m/s；d埋深，m。

2 高鋼級管道斷裂控制模型

研究表明Battelle公式及推薦值（CVN＞94J）不適用于X80及以上高鋼級管道。高鋼級管道屈服強度和設(shè)計壓力值較高，按照Battelle公式計算止裂韌性值結(jié)果偏于危險。日本鋼鐵協(xié)會提供X70 UOE（管徑1219mm、壁厚18.3mm、設(shè)計壓力12MPa）爆破試驗數(shù)據(jù)，在10m和20m內(nèi)止裂所需CVN分別是180J和130J，按照BMI公式計算管材CVN僅為119J。

Wilkowski提出通過預制裂紋的DWT、壓制缺口的DWT及夏比V型缺口的能量關(guān)系，確定高鋼級管材止裂韌性值，統(tǒng)計分析大量爆破試驗數(shù)據(jù)提出修正公式：

Leis基于大量全尺寸爆破試驗數(shù)據(jù)提出高鋼級管道止裂韌性修正公式，計算指數(shù)由2.04提高至2.1得到止裂韌性上限值。Leis修正公式不適用輸送介質(zhì)為富氣和出現(xiàn)斷口分離情形。

式中CVNArrest韌性大于94J管材韌性值；CVNBMI按照Battelle公式計算的管材韌性值。

日本鋼鐵協(xié)會提出避免高鋼級管道斷口分離對止裂韌性預測的影響，采用Gasdecom氣體減壓波曲線-DWT能量雙曲線模型，得到管材韌性CVN與DWT斷裂擴展能量DP關(guān)系。

高鋼級管道可能出現(xiàn)斷口分離問題，CVN轉(zhuǎn)變曲線出現(xiàn)上升平臺行為（CVP/CV100>1.25，CVP是沖擊轉(zhuǎn)變曲線上平臺能；CV100是開始出現(xiàn)100%剪切面積時的沖擊能量），采用BMI雙曲線法計算止裂韌性預測值不能保證管道安全。

定義裂紋尖端張開角（Crack Tip Opening Angle，CTOA）。臨界狀態(tài)下管材最大延性裂紋擴展驅(qū)動力等于材料延性裂紋擴展阻力，即管道裂紋延性擴展中最大裂紋尖端展角CTOAmax等于材料臨界裂紋張開角CTOAc，若CTOAmax≥CTOAc裂紋擴展；CTOAmax＜CTOAc裂紋止裂。CTOAmax可用經(jīng)驗公式或彈塑性有限元法計算。CTOAc表征材料止裂韌性，通過測試缺口深度為a1=10mm和a2=36mm的DWT試樣吸收能及斷口剪切面積得到。

式中Et是DWT試驗裂紋剪切擴展能量；A缺口凈面積；W試樣寬度；σod材料屈服應(yīng)力。

3 X80管線鋼管斷裂控制指標

Battelle雙曲線模型適用范圍是鋼級≤X80、設(shè)計壓力≤12MPa、徑厚比滿足40＜D/t＜115以及輸送介質(zhì)為單相或富氣，如管材止裂韌性預測值大于100J，應(yīng)進行修正：根據(jù)規(guī)格相近管道爆破試驗結(jié)果進行修正，該方法考慮上升平臺因素，比較可靠；統(tǒng)計實際管材斷口分離情況，這種針對性修正有一定局限性；考慮數(shù)據(jù)離散性，計算結(jié)果采用安全系數(shù)1.4，這是一種數(shù)學意義處理方式。以西氣東輸二線為例，參考國外X80鋼管氣體爆破試驗數(shù)據(jù)庫上，提出2個修正系數(shù)，修正系數(shù)1.71包括所有裂紋擴展點，較為安全，要求管材止裂韌性值較高；修正系數(shù)1.43未包括日本住友公司氣體爆破試驗，該試驗止裂沖擊韌性值很高，可能與管材存在斷口分離有關(guān)?？紤]安全可靠和經(jīng)濟可行，取修正系數(shù)為1.71，確定的管材止裂韌性值為220J（單個最小值170J）。西氣東輸二線X80管材止裂韌性指標如表1所示。

表1 西氣東輸二線X80管材止裂韌性指標

4 全尺寸鋼管氣體爆破試驗

全尺寸爆破試驗是確定管道止裂韌性可靠方法。做法是試驗段將鋼管按照韌性由高到低排列，鋼管在低韌性管段起裂，在高韌性管段止裂，發(fā)生止裂鋼管韌性即為管材止裂韌性值。新建管道設(shè)計參數(shù)超出爆破試驗數(shù)據(jù)庫范圍，應(yīng)進行氣體爆破試驗。國外已開展的管材氣體爆破試驗數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計如表2所示。西氣東輸二線管徑1219mm、設(shè)計壓力10/12MPa，鋼管等級、設(shè)計壓力、設(shè)計系數(shù)、壁厚、管徑等參數(shù)，國外管材氣體爆破試驗數(shù)據(jù)庫已涵蓋，但管材類型X80螺旋埋弧焊管未涵蓋。為以后輸氣管道工程提供依據(jù)，開展X80管線鋼管全尺寸爆破試驗，驗證螺旋縫埋弧焊管止裂能力，試驗參數(shù)為鋼級X80，設(shè)計壓力12MPa，西側(cè)螺旋縫埋弧焊管，東側(cè)直縫埋弧焊管；管徑1219mm，螺旋縫埋弧焊管壁厚18.4mm，直縫埋弧焊管壁厚19.1mm。試驗結(jié)果：管材止裂韌性預測值215J，螺旋縫埋弧焊管在198J止裂；直縫埋弧焊管裂紋穿過179J，在第二根焊管233J止裂，管材止裂韌性預測值偏于安全。

5 結(jié)語

“十四五”期間，我國高鋼級管道仍將快速發(fā)展，應(yīng)持續(xù)開展天然氣管道斷裂控制技術(shù)研究，為新建管道建設(shè)提供技術(shù)支持。高鋼級管道根據(jù)設(shè)計參數(shù)，使用Battelle公式計算結(jié)果進行修正。輸氣管道運行過程中應(yīng)參照設(shè)計參數(shù)，監(jiān)控管輸天然氣組分、運行壓力和溫度，避免因設(shè)計參數(shù)和實際運行參數(shù)相差較大，影響管道安全可靠性。