楊 揚(yáng)，呂 華 編譯

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）

隨著運(yùn)輸成本的不斷提高，人們開始通過提高鋼管強(qiáng)度，減少用鋼量的方法來減少管道成本，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。本研究結(jié)合?？松梨诠荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱美孚公司）的爆破試驗(yàn)，采用有限元分析對(duì)失效管道進(jìn)行裂紋斷裂和止裂研究，同時(shí)進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)以評(píng)估材料本身的止裂能力。結(jié)果表明，該鋼管有很強(qiáng)的抗內(nèi)壓能力。

1 爆破試驗(yàn)

輸氣管道的主要載荷是內(nèi)壓，在許多輸氣管道規(guī)范中允許環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到管材規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的80%。X120鋼管必須在壓力達(dá)到應(yīng)力水平時(shí)仍然能夠安全使用。為了保證足夠的承壓能力，通過爆破試驗(yàn)評(píng)估X120鋼管的實(shí)際承壓水平。同時(shí)，利用有限元分析進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和開發(fā)爆破極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 爆破試驗(yàn)過程及結(jié)果

為了評(píng)估鋼管的承壓能力，2003年3月?？松梨诠镜难芯啃〗M制作了長(zhǎng)約3 m的X120鋼管試樣。試樣的兩個(gè)端部用高壓端蓋焊接，每個(gè)試樣的焊縫位置、焊縫熱影響區(qū)（HAZ）和母材都裝置了壓力量規(guī)，當(dāng)施加內(nèi)壓時(shí)就能獲得各個(gè)位置的響應(yīng)。表1列出了X120鋼管爆破試驗(yàn)的結(jié)果?？梢钥闯觯?個(gè)試樣是在焊縫失效的，只有一個(gè)是在鋼管管體失效。試驗(yàn)4中的鋼管管體失效是由于焊管焊縫性能優(yōu)勢(shì)較為明顯。表1所示為爆破試驗(yàn)結(jié)果。

表1 X120鋼管爆破試驗(yàn)結(jié)果

1.2 有限元分析與對(duì)比

從以上分析可以看出，由于只有一個(gè)失效發(fā)生在管體，其余均發(fā)生在焊縫處，所以假定爆破失效發(fā)生在鋼管管體是主要缺陷。采用有限元分析進(jìn)行失效分析。為了便于計(jì)算，在有限結(jié)構(gòu)代碼ABAQUS中利用了一個(gè)非線性的、隱性的分析。這個(gè)模型由4個(gè)線性的平面應(yīng)變單元組成，這些元素允許由鋼管端蓋載荷導(dǎo)致的軸向應(yīng)力實(shí)施。分析表明，通過增加元素體積，內(nèi)壓充當(dāng)靜水力學(xué)流體元素。這使得離析較為容易合并，從而超過形成的最大壓力。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)大約是由2 000個(gè)固體和流體元素以及2 000個(gè)結(jié)點(diǎn)組成。

X120焊縫的詳細(xì)情況被應(yīng)用到分析中，用來觀察試驗(yàn)中鋼管的行為。材料行為的正確實(shí)踐對(duì)于爆破分析至關(guān)重要。鋼管管體和焊縫金屬抗拉試驗(yàn)的結(jié)果用于精確模擬這些材料的行為。由于爆破失效發(fā)生在焊縫，在分析中建模的X120鋼管的另一重要特征就是軟化的焊縫熱影響區(qū)。狹窄的焊縫熱影響區(qū)和穿過這一區(qū)域的力學(xué)性能的斜率很難通過抗拉試驗(yàn)直接測(cè)量性能。相反，熱影響區(qū)的強(qiáng)度從橫穿焊縫的顯微硬度處減少。

圖1為試驗(yàn)7在焊縫接頭的輪廓圖，其中的塑性應(yīng)變與來自有限結(jié)構(gòu)分析所預(yù)測(cè)的相等。其他試驗(yàn)的分析也產(chǎn)生了同樣的結(jié)果。圖中應(yīng)變的定位很明顯，這是焊口應(yīng)力集中的結(jié)果，軟化的熱影響區(qū)和有限數(shù)量的硬化在材料中也存在。由于這些因素的共同作用，一旦應(yīng)變以這種方式定位，焊縫立即失效。

圖1 試驗(yàn)7焊縫接頭的輪廓圖

盡管失效發(fā)生在焊縫，X120試驗(yàn)中的爆破壓力超過了這一鋼管硬度的要求?；诒圃囼?yàn)和有限結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，X120鋼管管體和焊縫具有足夠的強(qiáng)度，這使得它可以設(shè)計(jì)與最小屈服應(yīng)力相同的數(shù)值作為更低鋼級(jí)的鋼管管線。斷裂試驗(yàn)和控制也常被用于進(jìn)行缺陷出現(xiàn)時(shí)的壓力控制性能驗(yàn)證。

2 X120管線鋼管的止裂器設(shè)計(jì)

2.1 固有的止裂性能

一般而言，鋼管設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮材料具有足夠的韌性以防止裂紋產(chǎn)生。本研究通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了幾個(gè)方法以確定鋼管固有止裂韌性的大小。然而，這些理論仍然需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證后才能廣泛應(yīng)用。

對(duì)于X120鋼管，內(nèi)在止裂機(jī)制將會(huì)很難控制，這是因?yàn)閼?yīng)用的新鋼管通常需要相對(duì)較高的徑厚比（D/t＞45）和高的輸送壓力才能充分體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于X120鋼管中固有止裂韌性未知，所以研究將關(guān)注在保持足夠強(qiáng)度的同時(shí)使韌性最大。同時(shí)進(jìn)行了一個(gè)全尺寸裂紋止裂試驗(yàn)（FSCAT）來評(píng)估材料的固有止裂能力。

2.2 固有止裂的開發(fā)目的

研究了幾個(gè)用于評(píng)估X120鋼管的固有止裂韌性模型。這些模型可以被歸為以下兩種：①Battelle雙曲線模型；②CTOA模型。

（1）Battelle雙曲線模型。該雙曲線模型用于預(yù)測(cè)固有裂紋止裂所需的夏比V形缺口韌性（EBattelle）。這點(diǎn)在低鋼級(jí)（X70和以下）鋼管材料的試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法對(duì)比了由鋼管裂紋萌生阻力控制的裂紋速度和氣體減壓速度，以預(yù)測(cè)保證減壓波逃脫萌生裂紋所需要的韌性。如果減壓波確實(shí)比裂紋擴(kuò)展的快，那么位于裂紋尖端的裂紋驅(qū)動(dòng)力會(huì)由于壓力的損失和止裂的發(fā)生而減少。隨著管線鋼材料強(qiáng)度的增加，這個(gè)模型將不再正確地預(yù)測(cè)所需要的韌性。為了擴(kuò)展它的適用性，對(duì)這個(gè)方法采用修正因子，從而使在更高強(qiáng)度鋼管材料上進(jìn)行的全尺寸試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)的韌性值相一致。

以下兩種方法用于修正Battelle雙曲線模型：①根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)小尺寸實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的FSCAT結(jié)果進(jìn)行修正；②修正該模型，通過分離從DWTT或者CVN試驗(yàn)獲得的萌生和擴(kuò)展能量。這種分離是必要的，因?yàn)樽畛醯腂attelle相關(guān)性是基于低鋼級(jí)鋼管，其中大部分的吸收能是由材料的擴(kuò)展阻力消耗的。對(duì)于更高強(qiáng)度的鋼材，由裂紋萌生阻力消耗的斷裂總能量已經(jīng)增加。因此，當(dāng)應(yīng)用該方法時(shí)，高強(qiáng)度鋼材所釋放的擴(kuò)展能量并沒有被總能量適當(dāng)?shù)恼宫F(xiàn)出來。

對(duì)X120鋼開發(fā)韌性目標(biāo)時(shí)，需考慮以下3個(gè)方程，分別是：

方程中，E代表裂紋止裂所需要的CVN能量，下標(biāo)表示預(yù)測(cè)所使用的方法。式（1）中的預(yù)測(cè)是基于上述的方法①，該方法中測(cè)試結(jié)果被用于對(duì)EBattelle進(jìn)行糾正。式（2）是根據(jù)以下兩者之間的關(guān)系得出：①由小尺寸試驗(yàn)得出的結(jié)果，設(shè)計(jì)這種試驗(yàn)是用于使萌生能量與所測(cè)量的總能量之比的作用最小；②標(biāo)準(zhǔn)CVN試驗(yàn)的結(jié)果。這些關(guān)系用來產(chǎn)生一個(gè)修正的CVN能量（EC），用于裂紋止裂。相同的方法也被采用在式（3）中進(jìn)行研究。

表2包含了由式（1）～式（3）中所預(yù)測(cè)的裂紋止裂所需要的CVN值，對(duì)于φ 914 mm×16 mm的X120鋼管，規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)接箍壓力的72%，并假定氣體是甲烷。

表2 鋼管固有裂紋止裂的預(yù)測(cè)韌性 J

對(duì)預(yù)測(cè)固有止裂的CTOA方法也進(jìn)行了研究。為了達(dá)到CVN目標(biāo)，這個(gè)方法預(yù)測(cè)了上述相同情況下所需要的CTOA值，大約為11°。然而，這種方法還未應(yīng)用于更高鋼級(jí)。此外，測(cè)量X120鋼管的CTOA值是非常困難的。一個(gè)有效的CTOA值不可能使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)并同時(shí)測(cè)量。因此，在開發(fā)工作中，使用這個(gè)方法不能超過所需CTOA的最初估計(jì)值。

對(duì)于X120鋼管最初建立了231 J的CVN韌性目標(biāo)。在估算固有裂紋止裂所需韌性時(shí)較大的不確定性主要為現(xiàn)有模型的推論。一旦開發(fā)的鋼管符合X120的標(biāo)準(zhǔn)，將使用FSCAT來決定該模型是否和管線鋼管的固有裂紋止裂能力相符合。

2.3 X120管線鋼管的材料性能

進(jìn)行韌性測(cè)量貫穿于X120鋼管的開發(fā)過程，以最大限度評(píng)價(jià)裂紋產(chǎn)生的阻力。同時(shí)進(jìn)行了DWTT、CVN和CTOA試驗(yàn)，以認(rèn)識(shí)材料行為并且獲得可接受的強(qiáng)度和韌性的組合。采用CVN吸收能測(cè)量主要的裂紋萌生阻力。正如前面所提到的，在試驗(yàn)的早期就進(jìn)行了CTOA試驗(yàn)，但隨后由于試驗(yàn)的難度而被取消了。然而，從X120上進(jìn)行試驗(yàn)的韌性測(cè)量范圍來看，幾個(gè)有效的測(cè)量方法得出了一系列的值，如表3所示。

表3 X120鋼管斷裂韌性測(cè)量結(jié)果

2.4 全尺寸止裂試驗(yàn)（莫哈維試驗(yàn)）

進(jìn)行全尺寸裂紋止裂試驗(yàn)之前，在接近期望的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行了更小的單接頭試驗(yàn)，以保證延展性的擴(kuò)展裂紋，使裂紋穿過環(huán)焊縫，這樣才能完全評(píng)估鋼管材料。莫哈維試驗(yàn)不同于常見的West Jefferson試驗(yàn)，為了提供足夠的能量來評(píng)估當(dāng)萌生裂紋存在時(shí)鋼管的行為，莫哈維試驗(yàn)以100%的氣體進(jìn)行增壓。在試驗(yàn)中使用N2作為增壓的媒介，這與標(biāo)準(zhǔn)的貧氣一樣嚴(yán)重，因?yàn)樗墚a(chǎn)生減壓。每個(gè)鋼管試樣裝置有定時(shí)電線、溫度傳感器和壓力儀器。在起初的試驗(yàn)中，為了獲得產(chǎn)生裂紋的高速影像，不能將鋼管埋在土里。盡管從試驗(yàn)中獲得了高速的拍攝照片，但是逃逸的氣體使裂紋尖端的圖像變得模糊，并沒有獲得有價(jià)值的信息。

準(zhǔn)備FSCAT時(shí)進(jìn)行了4次莫哈維試驗(yàn)。這4個(gè)試驗(yàn)都是100%剪切面積。表4給出了試驗(yàn)條件、鋼管韌性和試驗(yàn)結(jié)果。第一個(gè)試驗(yàn)鋼管中沒有環(huán)焊縫。接下來的2個(gè)試驗(yàn)鋼管中均包含了環(huán)焊縫，這2個(gè)試驗(yàn)中裂紋斷裂都發(fā)生在環(huán)焊縫。盡管這些鋼管在試驗(yàn)時(shí)沒有埋在土壤中，這加劇了裂紋的產(chǎn)生 （更可能是斷裂），但是對(duì)于FSCAT在試驗(yàn)前為了防止斷裂進(jìn)行了額外的測(cè)量。后一次試驗(yàn)中，鋼管被埋在土里，水泥塊安裝在試樣的末端，以便更好地模擬FSCAT的環(huán)境。為了預(yù)防斷裂，在鋼管環(huán)焊縫的頂部90°位置使用了額外的焊接材料。試驗(yàn)結(jié)果表明在類似FSCAT的情況下不會(huì)發(fā)生斷裂。

表4 莫哈維試驗(yàn)

2.5 X120鋼管的全尺寸止裂試驗(yàn)

莫哈維試驗(yàn)中在驗(yàn)證鋼管延展性和環(huán)焊縫完整性之后，對(duì)X120鋼管進(jìn)行了FSCAT以評(píng)估固有裂紋止裂能力以及模型，而這種模型用來決定所需要的CVN韌性值。意大利的CSM在薩迪那范圍內(nèi)進(jìn)行了這一試驗(yàn)。9根X120鋼管，含一根較低韌性的起始管，被排列在90 m的試驗(yàn)段中，以及2個(gè)各連接一個(gè)110 m的儲(chǔ)氣庫。這些儲(chǔ)氣庫都是為這次試驗(yàn)新建的，同時(shí)需要對(duì)鋼管加壓到規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的72%。在起始鋼管的兩端，規(guī)格為φ 914 mm×16 mm的X120鋼管以韌性為升序進(jìn)行排列。試驗(yàn)使用貧氣進(jìn)行，并加壓至20.85 MPa。測(cè)試設(shè)備包括計(jì)時(shí)電線、應(yīng)力儀表、壓力轉(zhuǎn)換器和對(duì)鋼管進(jìn)行標(biāo)記的變形網(wǎng)格。設(shè)備上的數(shù)據(jù)顯示裂紋速度、變形的鋼管外觀、圍繞擴(kuò)展裂紋的應(yīng)力區(qū)域和氣體減壓現(xiàn)象。表5按照全尺寸試樣的順序列出了試樣的CVN值。表6列出了試驗(yàn)氣體的組分。

表5 0℃時(shí)試驗(yàn)鋼管的性能和排列順序

表6 全尺寸止裂試驗(yàn)氣體組分 %

全尺寸止裂試驗(yàn)中鋼管的布局有很多用途。試驗(yàn)鋼管的CVN值超過表3中所標(biāo)注的預(yù)測(cè)范圍。因此，根據(jù)這些預(yù)測(cè)，在試樣的內(nèi)部將會(huì)出現(xiàn)止裂。 期望更低的預(yù)測(cè)值（EBattelle和ELeis）并非保守，試樣的東側(cè)安裝有主要用于測(cè)試試樣的止裂器。1個(gè)套袖式止裂器被放置在E3鋼管的中間。試樣的東側(cè)包含3個(gè)鋼管，固有裂紋止裂預(yù)測(cè)（EC）的最高值為277 J，這3個(gè)鋼管的CVN與預(yù)測(cè)的最高值相差幾焦耳。西側(cè)的數(shù)據(jù)符合現(xiàn)有實(shí)際止裂模型的試驗(yàn)限制目標(biāo)。

止裂器為X65材料，長(zhǎng)2 m，厚19 mm。安裝后經(jīng)測(cè)量，在鋼管和止裂器之間有2.1%，約9.5 mm的間隙。止裂器按照某管線研究委員會(huì)報(bào)告進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后在長(zhǎng)度上增加2倍以提高成功的可能性。

試驗(yàn)中，熱電偶安裝在各個(gè)部位，鋼管和氣體的溫度顯示為12℃。起始裂紋產(chǎn)生至試驗(yàn)段的兩端，這表明按照預(yù)先的試樣條件鋼管的韌性不夠，套袖式止裂器也不夠有效。圖2顯示了后續(xù)試驗(yàn)的照片。裂紋表面是100%延展性的，裂紋擴(kuò)展速度在280～350 m/s，這可由圖3中的計(jì)時(shí)電線數(shù)據(jù)看出。結(jié)果表明基于CVN試驗(yàn)所討論的模型沒有正確的預(yù)測(cè)到X120管線鋼管固有裂紋止裂所需要的韌性。

圖2 X120管線鋼管全尺寸止裂試驗(yàn)的后續(xù)試驗(yàn)照片

圖3 全尺寸止裂試驗(yàn)的計(jì)時(shí)電線數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

在X120鋼管上進(jìn)行的全尺寸止裂試驗(yàn)表明，在所處的試驗(yàn)條件下，對(duì)于固有裂紋止裂，鋼管材料并沒有足夠的韌性。此外，決定固有止裂韌性的模型并沒有預(yù)測(cè)到X120試驗(yàn)的結(jié)果。預(yù)測(cè)的失敗很可能歸咎于模型的經(jīng)驗(yàn)主義特性，因?yàn)檫@個(gè)模型是用于開發(fā)低鋼級(jí)鋼管的。

盡管在全尺寸止裂試驗(yàn)中并沒有獲得止裂效果，但是在不太嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)條件下，對(duì)于固有裂紋止裂的X120鋼管可能具有足夠的止裂韌性（比如低的徑厚比、低壓、海下等）。然而，由于缺少合格的模型，對(duì)于規(guī)定的設(shè)計(jì)條件，全尺寸止裂試驗(yàn)需要表現(xiàn)出鋼管的固有裂紋止裂能力。