油氣輸送管道止裂器的開發(fā)

孫 宏，劉會利 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，天然氣輸送管道的鋼級越來越高。然而，對于由外部沖擊、疲勞、腐蝕、地震、山體滑坡或塌陷等情況引起的管道長程開裂，X100及以上鋼級的超高強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所證明?；陬愃频脑颍沽涯芰€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展都能在幾根鋼管的長度內(nèi)停止，這將對環(huán)境和管道運行的危害降到最小。

歐洲鋼管公司打算供應(yīng)止裂器作為其鋼管產(chǎn)品的一個補充。本研究是為了表明止裂器的可用性，特別是對于超高強度鋼管，并找到低成本且簡單的方式來評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降低環(huán)向應(yīng)力止裂不可行時，就必須采用止裂器來保證管道運行的安全。近幾十年來，已經(jīng)設(shè)計開發(fā)了各種類型的止裂器。幾乎所有的設(shè)計都是防止在氣體壓力的影響下管道斷裂脹開，從而降低斷裂驅(qū)動力。尤其值得注意的是單一或多個的套筒止裂器，包括簡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止裂器，并在全尺寸和小尺寸試驗的基礎(chǔ)上使用原型試驗對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

在運輸、裝卸或安裝鋼管時，特別是在開挖時的挖掘機鏟、碎石、尖銳物體等都有可能造成止裂器的機械損傷。因此，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)試驗以模擬并確定這些情況對纖維包裹止裂器的影響。試驗采用X100鋼級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)行了動態(tài)落球試驗。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，對止裂器材料的外表面產(chǎn)生沖擊。落球沖擊試驗后，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））。試驗可以確定損傷區(qū)域的深度約為11 mm，相當(dāng)于增強層厚度的88%。

圖2為準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗情況，在試驗中試樣放置在一個支撐環(huán)上，用一個尖端圓弧半徑為8 mm的挖掘機齒形壓頭不斷地垂直壓入試板，記錄試驗時的壓力和壓坑的深度。圖3為準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗中推壓力隨壓痕深度的變化曲線。從圖3可以看出，纖維層的破壞會導(dǎo)致施加壓力的下降，當(dāng)鋼管開始出現(xiàn)明顯的壓痕時試驗停止。試驗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，而對于真實的止裂器，可以假定僅在鋼管凹痕處出現(xiàn)剝離。

圖1 落球沖擊試驗后止裂器的損傷

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗

動態(tài)落錘試驗的原理是將一個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，試樣同樣置于一個支撐環(huán)上。動態(tài)落錘試驗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)備可能造成的動態(tài)沖擊載荷。動態(tài)壓痕試驗后的止裂器損傷區(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，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)壓痕試驗后的止裂器試樣

圖5 動態(tài)落錘試驗后的止裂器試樣

雖然對一種止裂器只進(jìn)行了數(shù)量有限的試驗，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展，開裂擴展的可能性較低。另外，周圍材料有非常強的支撐，外部包裹層的厚度和長度的恰當(dāng)設(shè)計將會提高管道的安全性能。

圖6 動態(tài)壓痕試驗后的止裂器損傷示意圖

3 全尺寸爆破試驗

在 “Demopipe試驗”的范圍內(nèi)，計劃進(jìn)行兩個X100鋼級鋼管試驗段的全尺寸爆破試驗，有可能將歐洲鋼管的止裂器整合到第二次試驗中。在薩爾茨基特曼內(nèi)斯曼研究機構(gòu)（SZMF，以前是MFI）纖維增強壓力容器的開發(fā)、試驗和生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一個簡單的鋼管和纖維增強層間強度分布的初步設(shè)計準(zhǔn)則。試驗壓力產(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全尺寸爆破試驗之前，進(jìn)行了較小規(guī)模的爆破試驗。

試驗段為長50 m的φ291 mm×10 mm高頻感應(yīng)焊接鋼管。對鋼管進(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展。因此，與韌性斷裂擴展相比，試驗條件更加嚴(yán)苛。纖維包裹層的厚度為5.0 mm，長度為1 610 mm，止裂器距離用于啟裂的人工缺口600 mm，鋼管管段爆破試驗裝置如圖7所示。試驗介質(zhì)為空氣，加壓到25.9 MPa（設(shè)計系數(shù)為72%），此時從人工缺口處啟裂，斷裂擴展速度達(dá)到300 m/s以上，在東側(cè)沒有止裂器未實現(xiàn)止裂，西側(cè)的止裂器延遲了長程斷裂，在剛越過纖維包裹層后斷裂就停止擴展。

圖7 高頻感應(yīng)焊鋼管管段爆破試驗裝置

該試驗增強了對該設(shè)計理念的信心，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長的增強段應(yīng)該是安全的，特別是對于預(yù)期斷裂擴展速度低得多的韌性斷裂擴展情況。

“Demopipe試驗”的止裂器使用了X100鋼級φ1 200 mm×20 mm鋼管，采用的玻璃纖維復(fù)合材料的抗拉強度為1 050 MPa，線性極限伸長率為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），從而使纖維增強區(qū)的外直徑達(dá)到約956.4 mm。鋼管管段長度為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段如圖8（a）所示。為了環(huán)縫焊接時不對纖維包裹層造成熱影響，止裂器兩端各留有約200 mm的管段沒有纖維增強層。

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

圖8 X100全尺寸爆破試驗段示意圖

圖9 全尺寸爆破試驗后的止裂器

4 小尺寸爆破試驗

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

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

玻璃纖維包裹經(jīng)過了環(huán)氧樹脂浸透，試驗包括不同的層數(shù)（2層和4層）和長度（45 mm和90 mm）。在鋼管的中部加工出一個縱向缺陷，并將兩個管端用堵頭封上。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展，介質(zhì)為室溫下的壓縮空氣。

帶止裂器鋼管的爆破試驗結(jié)果如圖10所示。長度為45 mm的2層復(fù)合包裹沒有實現(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，長度為45 mm的4層復(fù)合包裹和長度為90 mm的2層復(fù)合包裹實現(xiàn)了止裂。

圖10 帶止裂器鋼管的爆破試驗

試驗結(jié)果表明，即使采用簡單的小尺寸試驗也能區(qū)分不同設(shè)計的止裂器。可以預(yù)計，修改后的試驗方法將能夠校正和驗證計算模型，并選擇適當(dāng)類型的纖維增強層。

5 總結(jié)和展望

（1）全尺寸爆破試驗已經(jīng)證實，對于X100及更高鋼級的管道，止裂器將最有可能實現(xiàn)避免韌性斷裂的擴展，止裂器的利用也有利于在低溫下運行的管道。

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

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

（4）大、中直徑鋼管的全尺寸爆破試驗已經(jīng)證明了纖維增強鋼管作為止裂器的可用性。止裂器的設(shè)計基礎(chǔ)為鋼管與增強層之間的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)均勻分布，對于X100鋼級，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，阻止斷裂擴展、延遲以及通過止裂器后以短距離止裂。結(jié)果表明，纖維增強止裂器通常能夠?qū)崿F(xiàn)超高強度管道（X100）的斷裂止裂，即使是在高壓和高設(shè)計系數(shù)的條件下。

將來主要通過計算機模擬方式優(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)行試驗驗證和校準(zhǔn)也是必要的。已經(jīng)經(jīng)過了小尺寸爆破試驗，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)。即使是采用簡單的小尺寸爆破試驗也能區(qū)分不同設(shè)計的止裂器。歐洲鋼管打算將纖維增強型止裂器加入其超高強度及低溫鋼管的生產(chǎn)計劃，并與用戶合作針對具體用途進(jìn)一步確認(rèn)實際可用性以及優(yōu)化止裂器的設(shè)計。

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