孫 宏，劉會(huì)利 編譯

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

近年來(lái)，天然氣輸送管道的鋼級(jí)越來(lái)越高。然而，對(duì)于由外部沖擊、疲勞、腐蝕、地震、山體滑坡或塌陷等情況引起的管道長(zhǎng)程開(kāi)裂，X100及以上鋼級(jí)的超高強(qiáng)度材料本身的止裂能力是有限的，這是由于止裂所需的韌性達(dá)到甚至超過(guò)了技術(shù)上所能達(dá)到的韌性值。這已經(jīng)被X100鋼管的全尺寸爆破試驗(yàn)所證明?；陬愃频脑?，止裂能力還必須考慮較低的服役溫度。為此可以沿管道預(yù)先確定的間隔安裝止裂器，從而使任何斷裂的擴(kuò)展都能在幾根鋼管的長(zhǎng)度內(nèi)停止，這將對(duì)環(huán)境和管道運(yùn)行的危害降到最小。

歐洲鋼管公司打算供應(yīng)止裂器作為其鋼管產(chǎn)品的一個(gè)補(bǔ)充。本研究是為了表明止裂器的可用性，特別是對(duì)于超高強(qiáng)度鋼管，并找到低成本且簡(jiǎn)單的方式來(lái)評(píng)估各種類型的止裂器，以下討論研究了止裂器的類型、設(shè)計(jì)及力學(xué)性能。

1 止裂器的類型

當(dāng)使用足夠的止裂韌性材料或更大壁厚鋼管來(lái)降低環(huán)向應(yīng)力止裂不可行時(shí)，就必須采用止裂器來(lái)保證管道運(yùn)行的安全。近幾十年來(lái)，已經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了各種類型的止裂器。幾乎所有的設(shè)計(jì)都是防止在氣體壓力的影響下管道斷裂脹開(kāi)，從而降低斷裂驅(qū)動(dòng)力。尤其值得注意的是單一或多個(gè)的套筒止裂器，包括簡(jiǎn)單的鋼帶套管以及厚壁鋼套管，在套筒和鋼管之間的徑向空間通常要填充固化材料。但是，由于大直徑鋼管用套筒的尺寸和質(zhì)量太大，其生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝較為困難。一般必須考慮生產(chǎn)厚壁鋼管或管段的經(jīng)濟(jì)性。此外，可能需要采取特殊的措施來(lái)避免鋼管和套筒間界面的腐蝕。

在這方面，Chabrier和Fawley提出了質(zhì)量較輕的纖維包裹止裂器。歐洲鋼管因此選擇了這種類型的纖維增強(qiáng)止裂器，并在全尺寸和小尺寸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上使用原型試驗(yàn)對(duì)止裂能力和外部損傷情況下的止裂行為進(jìn)行了研究。

2 外部影響下的止裂行為

在運(yùn)輸、裝卸或安裝鋼管時(shí)，特別是在開(kāi)挖時(shí)的挖掘機(jī)鏟、碎石、尖銳物體等都有可能造成止裂器的機(jī)械損傷。因此，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)以模擬并確定這些情況對(duì)纖維包裹止裂器的影響。試驗(yàn)采用X100鋼級(jí)φ1 200 mm×20 mm鋼管，包裹層的厚度約為12.5 mm，試樣尺寸為300 mm×300 mm。

為了模擬落石這種突然負(fù)荷的情況，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)落球試驗(yàn)。方法與塑料涂層的標(biāo)準(zhǔn)程序一致，即使用與直徑25 mm的鋼球連接的總質(zhì)量為10 kg的錘體，錘體從2 m的高度落下，沖擊能量為196 J，對(duì)止裂器材料的外表面產(chǎn)生沖擊。落球沖擊試驗(yàn)后，止裂器的損傷情況如圖1所示。由圖1可以看出，復(fù)合包裹層的主要損傷包括纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的表面下區(qū)域的直接破壞（圖1（a）中的區(qū)域1），還有止裂器沖擊點(diǎn)附近的次要損傷 （圖1（a）中的區(qū)域2），即纖維從織構(gòu)的分離。次要損傷的區(qū)域在徑向幾乎延伸到了鋼管的管壁（圖1（b））。試驗(yàn)可以確定損傷區(qū)域的深度約為11 mm，相當(dāng)于增強(qiáng)層厚度的88%。

圖2為準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)情況，在試驗(yàn)中試樣放置在一個(gè)支撐環(huán)上，用一個(gè)尖端圓弧半徑為8 mm的挖掘機(jī)齒形壓頭不斷地垂直壓入試板，記錄試驗(yàn)時(shí)的壓力和壓坑的深度。圖3為準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)中推壓力隨壓痕深度的變化曲線。從圖3可以看出，纖維層的破壞會(huì)導(dǎo)致施加壓力的下降，當(dāng)鋼管開(kāi)始出現(xiàn)明顯的壓痕時(shí)試驗(yàn)停止。試驗(yàn)后的止裂器試樣如圖4所示。從圖4可以看出，鋼管的變形導(dǎo)致了纖維包裹層的剝離，試樣尺寸的限制促使包裹層完全剝離，而對(duì)于真實(shí)的止裂器，可以假定僅在鋼管凹痕處出現(xiàn)剝離。

圖1 落球沖擊試驗(yàn)后止裂器的損傷

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)的原理是將一個(gè)2 800 kg的錘體（尖端圓弧半徑R=25 mm）從1 m的高度落下沖擊試樣，試樣同樣置于一個(gè)支撐環(huán)上。動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)后的止裂器試樣如圖5所示。 從圖5可以看出，錘頭完全穿透纖維包裹層，纖維發(fā)生破壞，鋼管本體向內(nèi)凹陷產(chǎn)生塑性變形。測(cè)量的下落最大力為804 kN，該力值涵蓋了典型的挖掘設(shè)備可能造成的動(dòng)態(tài)沖擊載荷。動(dòng)態(tài)壓痕試驗(yàn)后的止裂器損傷區(qū)域如圖6所示。從圖6可以看出，鋼管的內(nèi)凹也造成了同準(zhǔn)靜態(tài)情況一樣的包裹層的剝離。同時(shí)，也觀察到了包括纖維從織構(gòu)分離的次要損傷（圖6（a）明亮區(qū)域）。這些區(qū)域主要沿纖維方向延伸，在鋼管表面也可看到（圖6（b））。

圖3 推壓力隨壓痕深度的變化曲線

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)后的止裂器試樣

圖5 動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)后的止裂器試樣

雖然對(duì)一種止裂器只進(jìn)行了數(shù)量有限的試驗(yàn)，但是仍然可以獲得一些關(guān)于纖維包裹止裂器在外部沖擊行為下的一般規(guī)律。纖維包裹層的破壞取決于沖擊能量和沖擊物體的幾何形狀。然而，在所有情況下，甚至在完全穿透外包裹層的情況下，只發(fā)生了局部減弱，只在圓周方向有輕微的擴(kuò)展，開(kāi)裂擴(kuò)展的可能性較低。另外，周圍材料有非常強(qiáng)的支撐，外部包裹層的厚度和長(zhǎng)度的恰當(dāng)設(shè)計(jì)將會(huì)提高管道的安全性能。

圖6 動(dòng)態(tài)壓痕試驗(yàn)后的止裂器損傷示意圖

3 全尺寸爆破試驗(yàn)

在 “Demopipe試驗(yàn)”的范圍內(nèi)，計(jì)劃進(jìn)行兩個(gè)X100鋼級(jí)鋼管試驗(yàn)段的全尺寸爆破試驗(yàn)，有可能將歐洲鋼管的止裂器整合到第二次試驗(yàn)中。在薩爾茨基特曼內(nèi)斯曼研究機(jī)構(gòu)（SZMF，以前是MFI）纖維增強(qiáng)壓力容器的開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼管和纖維增強(qiáng)層間強(qiáng)度分布的初步設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。試驗(yàn)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力由復(fù)合包裹層和鋼管平均共同承擔(dān)。在將止裂器交付Demopipe X100全尺寸爆破試驗(yàn)之前，進(jìn)行了較小規(guī)模的爆破試驗(yàn)。

試驗(yàn)段為長(zhǎng)50 m的φ291 mm×10 mm高頻感應(yīng)焊接鋼管。對(duì)鋼管進(jìn)行了特殊的熱處理，使直焊縫變脆（Kv=12 J），這樣斷裂就能夠非常迅速地沿直焊縫擴(kuò)展。因此，與韌性斷裂擴(kuò)展相比，試驗(yàn)條件更加嚴(yán)苛。纖維包裹層的厚度為5.0 mm，長(zhǎng)度為1 610 mm，止裂器距離用于啟裂的人工缺口600 mm，鋼管管段爆破試驗(yàn)裝置如圖7所示。試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，加壓到25.9 MPa（設(shè)計(jì)系數(shù)為72%），此時(shí)從人工缺口處啟裂，斷裂擴(kuò)展速度達(dá)到300 m/s以上，在東側(cè)沒(méi)有止裂器未實(shí)現(xiàn)止裂，西側(cè)的止裂器延遲了長(zhǎng)程斷裂，在剛越過(guò)纖維包裹層后斷裂就停止擴(kuò)展。

圖7 高頻感應(yīng)焊鋼管管段爆破試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)增強(qiáng)了對(duì)該設(shè)計(jì)理念的信心，止裂器的環(huán)向應(yīng)力在鋼管和纖維包裹間的分布是均勻的，大約1.6 m長(zhǎng)的增強(qiáng)段應(yīng)該是安全的，特別是對(duì)于預(yù)期斷裂擴(kuò)展速度低得多的韌性斷裂擴(kuò)展情況。

“Demopipe試驗(yàn)”的止裂器使用了X100鋼級(jí)φ1 200 mm×20 mm鋼管，采用的玻璃纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為1 050 MPa，線性極限伸長(zhǎng)率為2.5%。復(fù)合包裹層厚度的選擇標(biāo)準(zhǔn)為鋼管與增強(qiáng)層之間的環(huán)向應(yīng)力分布均勻及安全系數(shù)為1.45。增強(qiáng)纖維共60層，止裂器總壁厚達(dá)到了（41±2）mm（鋼+復(fù)合包裹），從而使纖維增強(qiáng)區(qū)的外直徑達(dá)到約956.4 mm。鋼管管段長(zhǎng)度為2 000 mm，這樣就將止裂器的總寬度定為1 600 mm，第一次全尺寸爆破試驗(yàn)段如圖8（a）所示。為了環(huán)縫焊接時(shí)不對(duì)纖維包裹層造成熱影響，止裂器兩端各留有約200 mm的管段沒(méi)有纖維增強(qiáng)層。

上述止裂器被安裝到了第二次Demopipe X100全尺寸爆破試驗(yàn)的管段上，試驗(yàn)地點(diǎn)在意大利的撒丁島，試驗(yàn)管道如圖8（b）所示。試驗(yàn)管段采用了9根φ914.4 mm×20 mm的 X100鋼管，止裂器安裝在試驗(yàn)管段的東端，而試驗(yàn)的目的是在X100試驗(yàn)管段的東端和西端均實(shí)現(xiàn)止裂。在試驗(yàn)管段西側(cè)的斷裂擴(kuò)展到管體上停止，在東側(cè)的斷裂則以約135 m/s的速度擴(kuò)展到止裂器。在大約200 mm后，擴(kuò)展方向轉(zhuǎn)到周向（纖維纏繞方向）并停止，全尺寸爆破試驗(yàn)后的止裂器如圖9所示。雖然沒(méi)有達(dá)到Demopipe全尺寸爆破試驗(yàn)的目的，但是證明了在高壓 （22.6 MPa）和高設(shè)計(jì)系數(shù)為75%的條件下，由歐洲鋼管提供的這類纖維增強(qiáng)止裂器通常能夠?qū)崿F(xiàn)超高鋼級(jí)鋼管的長(zhǎng)程斷裂止裂。

圖8 X100全尺寸爆破試驗(yàn)段示意圖

圖9 全尺寸爆破試驗(yàn)后的止裂器

4 小尺寸爆破試驗(yàn)

用于X100鋼管的止裂器的設(shè)計(jì)是成功的，但或多或少是基于反復(fù)試驗(yàn)的原理，因此需要優(yōu)化，特別在生產(chǎn)成本方面?？梢灶A(yù)期的是，將來(lái)的優(yōu)化主要將通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方式進(jìn)行，但是計(jì)算方法也需要試驗(yàn)驗(yàn)證。由于全尺寸爆破試驗(yàn)非常昂貴，所以開(kāi)發(fā)了小尺寸試驗(yàn)以支撐該止裂器的設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于小尺寸試驗(yàn)，可以更加靈活地研究不同的設(shè)計(jì)和負(fù)載情況，且成本低于全尺寸試驗(yàn)。小尺寸試驗(yàn)選用的鋼管規(guī)格為φ85 mm×2 mm，主要是由于其D/t與大直徑鋼管接近，鋼管的屈服強(qiáng)度為710 MPa。

試驗(yàn)第1步，先確定鋼管長(zhǎng)度2 000 mm，允許對(duì)不同厚度、長(zhǎng)度和材質(zhì)的纖維包裹層進(jìn)行定性比較；第2步，在試驗(yàn)管段上安裝斷裂速度測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行延伸以避免諸如減壓波反射的影響，這里只比較試驗(yàn)管段東、西端之間斷裂擴(kuò)展的差異。

玻璃纖維包裹經(jīng)過(guò)了環(huán)氧樹(shù)脂浸透，試驗(yàn)包括不同的層數(shù)（2層和4層）和長(zhǎng)度（45 mm和90 mm）。在鋼管的中部加工出一個(gè)縱向缺陷，并將兩個(gè)管端用堵頭封上。缺陷尺寸的選擇原則是在大約12 MPa的內(nèi)壓產(chǎn)生破裂，且斷裂朝管端的方向擴(kuò)展，介質(zhì)為室溫下的壓縮空氣。

帶止裂器鋼管的爆破試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。長(zhǎng)度為45 mm的2層復(fù)合包裹沒(méi)有實(shí)現(xiàn)止裂，外層包裹完全破壞，最終靠管端反射的壓力波止裂。但是，長(zhǎng)度為45 mm的4層復(fù)合包裹和長(zhǎng)度為90 mm的2層復(fù)合包裹實(shí)現(xiàn)了止裂。

圖10 帶止裂器鋼管的爆破試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，即使采用簡(jiǎn)單的小尺寸試驗(yàn)也能區(qū)分不同設(shè)計(jì)的止裂器?？梢灶A(yù)計(jì)，修改后的試驗(yàn)方法將能夠校正和驗(yàn)證計(jì)算模型，并選擇適當(dāng)類型的纖維增強(qiáng)層。

5 總結(jié)和展望

（1）全尺寸爆破試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，對(duì)于X100及更高鋼級(jí)的管道，止裂器將最有可能實(shí)現(xiàn)避免韌性斷裂的擴(kuò)展，止裂器的利用也有利于在低溫下運(yùn)行的管道。

（2）超高強(qiáng)度鋼管用鋼套筒型止裂器的缺點(diǎn)是質(zhì)量較大，且生產(chǎn)和管道安裝都比較困難。而纖維增強(qiáng)型止裂器則更為容易，在鋼管生產(chǎn)過(guò)程可以加入纖維包裹工序。

（3）在挖掘機(jī)鏟或碎石等外部沖擊的情況下，纖維包裹層可能會(huì)損壞，但即使完全穿透復(fù)合包裹層，也只是在局部造成減弱，這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)暮穸群烷L(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償。

（4）大、中直徑鋼管的全尺寸爆破試驗(yàn)已經(jīng)證明了纖維增強(qiáng)鋼管作為止裂器的可用性。止裂器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為鋼管與增強(qiáng)層之間的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)均勻分布，對(duì)于X100鋼級(jí)，止裂器的安全系數(shù)為1.45。止裂能夠在一定程度上吸收斷裂的能量，阻止斷裂擴(kuò)展、延遲以及通過(guò)止裂器后以短距離止裂。結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)止裂器通常能夠?qū)崿F(xiàn)超高強(qiáng)度管道（X100）的斷裂止裂，即使是在高壓和高設(shè)計(jì)系數(shù)的條件下。

將來(lái)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬方式優(yōu)化止裂器的幾何尺寸和力學(xué)性能，比如在有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和校準(zhǔn)也是必要的。已經(jīng)經(jīng)過(guò)了小尺寸爆破試驗(yàn)，并將進(jìn)行改進(jìn)以最靈活和具有效益的方式提供數(shù)據(jù)。即使是采用簡(jiǎn)單的小尺寸爆破試驗(yàn)也能區(qū)分不同設(shè)計(jì)的止裂器。歐洲鋼管打算將纖維增強(qiáng)型止裂器加入其超高強(qiáng)度及低溫鋼管的生產(chǎn)計(jì)劃，并與用戶合作針對(duì)具體用途進(jìn)一步確認(rèn)實(shí)際可用性以及優(yōu)化止裂器的設(shè)計(jì)。

譯自：BRAUER H，KNAUF G，HILLENBRAND H G.Crack Arrestors[C]//The 4th International Conference on Pipeline Technology.Belgium，Ostend，2004.