伍 奕，王 鵬，李 鶴

(1.中國石油西部管道公司 新疆 烏魯木齊 830001;2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

油氣長輸管線是原油、成品油與天然氣的主要運(yùn)輸載體之一，是原油、成品油和天然氣最經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)輸方式，在石油天然氣行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用[1]。近年來我國興建的西氣東輸二線、中緬管線、中亞管線等多條高壓大輸量長輸天然氣管線，其沿線地理環(huán)境復(fù)雜,服役條件苛刻。如西氣東輸二線和中亞管線有多個(gè)站場和閥室位于高海拔寒冷地區(qū)，最低氣溫-47 ℃。新建的中俄東線的站場和閥室多處于高海拔寒冷地區(qū)，最低設(shè)計(jì)溫度達(dá)-45 ℃。在低溫環(huán)境下，裸露管材失效風(fēng)險(xiǎn)陡增，因此低溫環(huán)境下鋼材的斷裂行為已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Maxey等人[2]根據(jù)大量的含穿透型和表面型裂紋缺陷鋼管爆破試驗(yàn)提出了最初的起裂預(yù)測方法，該方法中涵蓋了大量的材料，如X70管線鋼、核電材料等，通過該模型可有效的預(yù)測含裂紋缺陷鋼管的爆破壓力。但是，該方法是基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而獲得，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限。對于新型的材料，該方法的適用性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)BS7910和API 579等標(biāo)準(zhǔn)也提供了類裂紋缺陷的失效評估方法[3-5]。本文針對高強(qiáng)度X80鋼管開展了低溫爆破試驗(yàn)，研究了含縱向類裂紋缺陷鋼管在低溫下的斷裂失效行為，驗(yàn)證了目前的鋼管類裂紋缺陷失效預(yù)測方法。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼管選取OD1 422 mm×21.4 mm X80直縫埋弧焊管。在試驗(yàn)鋼管上取試樣并分別進(jìn)行了理化性能檢測。鋼管的化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1。鋼管系列溫度的拉伸、沖擊和落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。系列溫度的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：在-45～20 ℃范圍，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的降低而增大。沖擊試驗(yàn)的結(jié)果表明：該X80鋼管的表現(xiàn)出了較好的低溫韌性，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度(85%剪切面積)為-60 ℃。全壁厚落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果表明：該X80鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(85%剪切面積)為-10 ℃。由于尺寸效應(yīng)的影響，DWTT和沖擊的韌脆轉(zhuǎn)變溫度相差50 ℃。

表1 試驗(yàn)鋼管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 系列溫度拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 系列溫度DWTT結(jié)果

2 低溫爆破試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，在試驗(yàn)鋼管中心處外表面加工了長度約500 mm，深度約12 mm的類裂紋缺陷。缺陷采用機(jī)械加工的方式，最終的缺陷形式如圖4所示。同時(shí)完成試驗(yàn)鋼管堵頭焊接以及焊縫的無損檢測，以確保試驗(yàn)過程中不從堵頭焊接處開裂。

圖4 缺陷位置及形貌示意圖

在試驗(yàn)鋼管外部的連接管進(jìn)氣口和出氣口位置各安裝1個(gè)壓力變送器。在試驗(yàn)管裂紋缺陷兩端分布4個(gè)應(yīng)變花，裂紋中部分布2個(gè)應(yīng)變花。每個(gè)應(yīng)變花有三個(gè)通道，用于測量鋼管環(huán)向、45°方向及軸向的應(yīng)變。采用7個(gè)貼片式表面溫度變送器進(jìn)行溫度測量，如圖5所示，分別安裝在試驗(yàn)鋼管5個(gè)環(huán)向截面上。

圖5 傳感器安裝位置

采用厚度為50 mm的柔性保溫材料丁腈橡膠(LT)，對試驗(yàn)X80鋼管整體進(jìn)行保溫包裹。試驗(yàn)加壓溶液采用60%乙二醇和40%酒精(質(zhì)量百分比)的低溫混合液體，其溫度約達(dá)到-40 ℃，并將該溶液儲存至低溫槽車。最終的試驗(yàn)用鋼管如圖6所示。

圖6 保溫包裹后試驗(yàn)鋼管

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

在完成試驗(yàn)鋼管準(zhǔn)備后，待低溫溶液到達(dá)規(guī)定溫度時(shí)，采用低溫氮?dú)鈮毫斔?將低溫乙二醇溶液通過低溫軟管注入試驗(yàn)鋼管。當(dāng)試驗(yàn)鋼管注滿后，用法蘭盲板將液體注入口密封并關(guān)閉試驗(yàn)管線的放空閥門。然后對試驗(yàn)鋼管進(jìn)行保溫，待試驗(yàn)溫度達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)(-20 ℃)，繼續(xù)注入低溫溶液進(jìn)行增壓。整個(gè)過程通過數(shù)采設(shè)備和現(xiàn)場人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

試驗(yàn)測量結(jié)果表明：注入試驗(yàn)用鋼管的低溫混合溶液溫度約為-35 ℃。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)鋼管外管壁165°位置，測得溫度約為-30 ℃；在試驗(yàn)鋼管外管壁90°位置，測得管壁溫度約為-28 ℃；在試驗(yàn)鋼管外管壁45°位置，測得管壁溫度約為-26 ℃；在試驗(yàn)鋼管外管壁0°位置，測得管壁裂紋位置溫度約為-19 ℃。鋼管實(shí)際溫度達(dá)到試驗(yàn)要求溫度。

試驗(yàn)壓力測量結(jié)果表明：在增壓過程中，鋼管壓力持續(xù)增大，當(dāng)壓力增加到11.3 MPa時(shí)，鋼管在缺陷位置處首先發(fā)生爆破失效。具體的壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖7 壓力隨時(shí)間變化曲線

試驗(yàn)變形測量結(jié)果表明：在裂紋中心位置，如圖8所示，隨著壓力的增加，裂紋缺陷附近表面環(huán)向、45°方向及軸向的應(yīng)變隨之增加，直到鋼管發(fā)生爆破失效。在裂紋兩個(gè)尖端附近(如圖9、圖10所示)，裂紋缺陷附近表面環(huán)向、45°方向及軸向的應(yīng)變隨著壓力的增加而增加，但是其應(yīng)變增加量小于鋼管中部位置。這說明，隨著鋼管壓力的增加，在缺陷的中部位置發(fā)生了塑性變形，并發(fā)生局部鼓脹，直至鋼管在缺陷位置處發(fā)生爆破失效。

圖8 裂紋中心位置應(yīng)變變化

圖9 左側(cè)裂紋尖端位置應(yīng)變變化

圖10 右側(cè)裂紋尖端位置應(yīng)變變化

沿缺陷擴(kuò)展位置對裂紋缺陷附近進(jìn)行了壁厚測量。原鋼管的壁厚為21.4 mm，在鋼管發(fā)生爆破失效后，缺陷附近的鋼管壁厚均發(fā)生了明顯的減薄，這主要是由于鋼管在壓力增加后，鋼管缺陷位置發(fā)生了明顯的變形和鼓脹行為，從而導(dǎo)致了鋼管的局部減薄現(xiàn)象。鋼管全長約11 m，裂紋缺陷原長500 mm，爆破后鋼管北側(cè)裂紋擴(kuò)展約300 m，在南側(cè)擴(kuò)展約310 mm。爆破后鋼管缺陷處的斷口呈韌脆混合形貌，斷面以韌性為主，并出現(xiàn)局部的脆性特征。爆破失效后斷口形貌如圖11所示。

圖11 爆破失效后裂紋缺陷處斷口形貌

3 失效壓力預(yù)測及驗(yàn)證

采用NG-18模型、API 579以及BS 7910標(biāo)準(zhǔn)中的裂紋缺陷失效預(yù)測方法，并結(jié)合鋼管的理化性能試驗(yàn)結(jié)果，對該試驗(yàn)鋼管的爆破壓力進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果見表2。從表中可以看出，NG-18模型、API 579以及BS 7910的爆破壓力預(yù)測預(yù)測結(jié)果均比實(shí)際爆破試驗(yàn)的保守，其中API 579方法的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。

表2 預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到11.3 MPa時(shí)，鋼管裂紋位置發(fā)生爆破失效。低溫爆破后鋼管缺陷處的斷口呈韌脆混合形貌，斷面以韌性為主，并出現(xiàn)局部的脆性特征。

2)采用3種不同的裂紋缺陷失效壓力模型對該試驗(yàn)鋼管的爆破壓力進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明預(yù)測的失效壓力結(jié)果均偏于保守。