含缺陷X80鋼管低溫環(huán)境爆破試驗研究*

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)安全國家重點實驗室 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輸載體之一，是原油、成品油和天然氣最經(jīng)濟、合理的運輸方式，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)計溫度達-45 ℃。在低溫環(huán)境下，裸露管材失效風(fēng)險陡增，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。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數(shù)據(jù)而獲得，其試驗數(shù)據(jù)有限。對于新型的材料，該方法的適用性也需要進一步驗證。同時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]。本文針對高強度X80鋼管開展了低溫爆破試驗，研究了含縱向類裂紋缺陷鋼管在低溫下的斷裂失效行為，驗證了目前的鋼管類裂紋缺陷失效預(yù)測方法。

1 試驗材料

試驗用鋼管選取OD1 422 mm×21.4 mm X80直縫埋弧焊管。在試驗鋼管上取試樣并分別進行了理化性能檢測。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結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。系列溫度的拉伸試驗結(jié)果表明：在-45～20 ℃范圍，抗拉強度和屈服強度隨試驗溫度的降低而增大。沖擊試驗的結(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 試驗鋼管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 系列溫度拉伸試驗結(jié)果

圖2 系列溫度沖擊試驗結(jié)果

圖3 系列溫度DWTT結(jié)果

2 低溫爆破試驗

2.1 試驗前準(zhǔn)備

試驗前，在試驗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。缺陷采用機械加工的方式，最終的缺陷形式如圖4所示。同時完成試驗鋼管堵頭焊接以及焊縫的無損檢測，以確保試驗過程中不從堵頭焊接處開裂。

圖4 缺陷位置及形貌示意圖

在試驗鋼管外部的連接管進氣口和出氣口位置各安裝1個壓力變送器。在試驗管裂紋缺陷兩端分布4個應(yīng)變花，裂紋中部分布2個應(yīng)變花。每個應(yīng)變花有三個通道，用于測量鋼管環(huán)向、45°方向及軸向的應(yīng)變。采用7個貼片式表面溫度變送器進行溫度測量，如圖5所示，分別安裝在試驗鋼管5個環(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X80鋼管整體進行保溫包裹。試驗加壓溶液采用60%乙二醇和40%酒精(質(zhì)量百分比)的低溫混合液體，其溫度約達到-40 ℃，并將該溶液儲存至低溫槽車。最終的試驗用鋼管如圖6所示。

圖6 保溫包裹后試驗鋼管

2.2 試驗過程及結(jié)果分析

在完成試驗鋼管準(zhǔn)備后，待低溫溶液到達規(guī)定溫度時，采用低溫氮氣壓力輸送,將低溫乙二醇溶液通過低溫軟管注入試驗鋼管。當(dāng)試驗鋼管注滿后，用法蘭盲板將液體注入口密封并關(guān)閉試驗管線的放空閥門。然后對試驗鋼管進行保溫，待試驗溫度達到試驗要求時(-20 ℃)，繼續(xù)注入低溫溶液進行增壓。整個過程通過數(shù)采設(shè)備和現(xiàn)場人員進行實時監(jiān)控。

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

試驗壓力測量結(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，鋼管在缺陷位置處首先發(fā)生爆破失效。具體的壓力隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 壓力隨時間變化曲線

試驗變形測量結(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

沿缺陷擴展位置對裂紋缺陷附近進行了壁厚測量。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)裂紋擴展約300 m，在南側(cè)擴展約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結(jié)果，對該試驗鋼管的爆破壓力進行了預(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)果均比實際爆破試驗的保守，其中API 579方法的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近。

表2 預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1)當(dāng)試驗壓力達到11.3 MPa時，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鋼管的爆破壓力進行了預(yù)測，結(jié)果表明預(yù)測的失效壓力結(jié)果均偏于保守。