全尺寸氣體爆破試驗用管道設(shè)計技術(shù)難點*

李 鶴，謝 萍，龐艷鳳，楊 明，池 強(qiáng)，霍春勇

(1.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)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830013；3.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院 北京 100083)

0 引 言

隨著我國天然氣需求量的與日俱增和管線鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國天然氣管道逐步邁入“高鋼級、大口徑、高壓力”時代[1-3]。然而隨著鋼級、輸送壓力、管徑及設(shè)計系數(shù)的不斷提高，管道的延性斷裂成為了嚴(yán)重威脅管道安全的瓶頸問題[4]。國外為了進(jìn)行X80/X100/X120的斷裂控制研究，進(jìn)行了大量X80、X100及X120鋼管的全尺寸氣爆試驗[5-9]。國內(nèi)開展的X90、X100及OD1 422mm X80等高鋼級管材研究也迫切需要進(jìn)行全尺寸氣體爆破試驗以驗證管材的止裂能力。為了推動我國天然氣管道管材技術(shù)研究的進(jìn)步，掌握高鋼級、大口徑管材關(guān)鍵性能技術(shù)指標(biāo)，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司于2015年在哈密建成投產(chǎn)了國內(nèi)首個全尺寸爆破試驗場，我國也成為國際上少數(shù)幾個擁有全尺寸氣體爆破試驗場的國家[10]。全尺寸氣體爆破試驗技術(shù)復(fù)雜，存在大量的技術(shù)難題。本文就爆破試驗場設(shè)計中研究解決的幾個關(guān)鍵技術(shù)難點進(jìn)行闡述。

1 哈密全尺寸氣體爆破試驗場簡介

1.1 技術(shù)原理

全尺寸氣體爆破試驗場(斷裂控制試驗場)設(shè)置CNG供氣裝置、儲氣管、試驗管、初始裂紋引入裝置、天然氣引燃裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等主要試驗設(shè)施。全尺寸氣體爆破試驗時，在試驗段中間放置低韌性鋼管作為起裂管，起裂管兩側(cè)排列試驗管(常采取韌性由低到高的方式排列)。通過線性聚能切割器在起裂管引入初始裂紋。在內(nèi)壓的驅(qū)動下，裂紋由起裂管向兩側(cè)試驗管擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力(裂紋尖端氣體壓力)大于裂紋擴(kuò)展阻力(鋼管自身韌性)時，裂紋將加速擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力等于裂紋擴(kuò)展阻力時，裂紋將穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力小于裂紋擴(kuò)展阻力時，裂紋將減速直至停止擴(kuò)展。試驗過程中通過專用儀器對管體數(shù)據(jù)及爆炸危害數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，從而全面分析和評估測試管道的止裂韌性及管道天然氣爆破(爆炸)后的危害范圍及程度。

1.2 試驗場總體方案

試驗場位于哈密戈壁灘，試驗場建設(shè)用地約200公頃，周圍半徑5 km以內(nèi)無村莊及建構(gòu)筑物、無環(huán)境敏感點。試驗場由爆破試驗區(qū)和輔助生產(chǎn)區(qū)兩部分組成，試驗設(shè)施包括試驗管列和配套設(shè)施。爆破試驗區(qū)設(shè)置1 422 mm/16 MPa和1 219 mm/20 MPa兩種規(guī)格試驗管列，平行布置，間距36 m，管頂埋深1.5m，可實現(xiàn)Φ1 422 mm、Φ1 219mm管道全尺寸天然氣爆破試驗。Φ1 422 mm試驗管段儲氣管設(shè)計壓力為16 MPa，采用X80管材，壁厚28.5 mm。Φ1 219 mm試驗管段儲氣管設(shè)計壓力為20 MPa，采用X80管材，壁厚30.6 mm。試驗場配套設(shè)施包括設(shè)置在輔助生產(chǎn)區(qū)的工藝系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、辦公和控制用房、瞭望觀察塔、給水區(qū)、儲水池、生活污水處理裝置、蒸發(fā)池等，以及設(shè)置在試驗區(qū)的半地下數(shù)據(jù)采集間、材料堆場等設(shè)施。

1.3 試驗管列布置及關(guān)鍵技術(shù)難點

Φ1 422 mm與Φ1 219 mm試驗管列均由兩部分組成，即儲氣管和試驗管，如圖1所示。試驗管長度130 m，管頂埋深可達(dá)1.5 m，試驗管中心設(shè)置用于預(yù)制裂紋的線性聚能切割器，試驗管兩端設(shè)置止裂器以防止裂紋擴(kuò)展進(jìn)入儲氣管。儲氣管位于試驗管段兩側(cè)，長度為150 m，與試驗管段等直徑。采用中間錨固墩結(jié)合端部錨固墩的方式對儲氣管進(jìn)行固定，以防止其軸向和徑向位移。

圖1 試驗管列布置示意圖

在試驗管列設(shè)計時存在如下技術(shù)難點：

1)如何設(shè)計合理的試驗段及儲氣管長度；

2)如何設(shè)計線性聚能切割器以保障初始裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展；

3)如何設(shè)計止裂器以確保高速擴(kuò)展的裂紋在止裂器中柔性止裂。

由于全尺寸氣體爆破試驗為非標(biāo)試驗，因此無管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可以參考，需要國內(nèi)獨立攻關(guān)解決。

2 哈密全尺寸氣體爆破試驗場管道及其附屬設(shè)施設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 試驗段及儲氣庫長度設(shè)計

按照試驗最大需求，試驗段共設(shè)置11根鋼管。中間為起裂管，用于引入初始裂紋。起裂管兩側(cè)各5根試驗鋼管，用于確定管道止裂韌性。試驗前首先根據(jù)BTC模型[4]計算試驗管道止裂韌性，設(shè)置止裂目標(biāo)管，將止裂目標(biāo)管放置于起裂管兩側(cè)第三根鋼管位置，止裂目標(biāo)管前為較低韌性鋼管，止裂目標(biāo)管后為較高韌性鋼管。試驗鋼管單根鋼管長度約為10～12 m，最終確定試驗段長度為130 m。試驗管段末端與儲氣庫相連。儲氣庫的前端應(yīng)安裝止裂器，以防止裂紋擴(kuò)展進(jìn)入儲氣庫。

儲氣庫需提供足夠的氣源來模擬真實的輸氣管線，在設(shè)計時要避免在試驗段(單側(cè)長度65 m)擴(kuò)展的裂紋與管道中回彈的天然氣減壓波相遇，如圖2所示。全尺寸爆破試驗數(shù)據(jù)[8]表明，對于延性裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋的擴(kuò)展速度低于100 m/s時，裂紋會快速止裂。在最保守的情況下，假設(shè)裂紋的擴(kuò)展速度為100 m/s，單側(cè)試驗段長度為65 m，則裂紋擴(kuò)展到試驗段末端(儲氣庫前沿)需要0.65 s。減壓波從試驗段中心傳播到儲氣庫末端，然后再回彈到試驗段末端，只要其時間大于0.65 s，即可避免在試驗段與擴(kuò)展中的裂紋相遇。在這個過程中，減壓波傳播的總長度為365 m(65 m+150 m+150 m)，因此其傳速度需要低于561 m/s。

減壓波的傳播速度取決于氣質(zhì)組分，壓力和溫度。重?zé)N成分越多，壓力越高，溫度越低，則減壓波傳播速度越快[11]。采用比較保守的G3氣[12]，其氣體組份見表1。在不同壓力和溫度組合情況下采用BWRS狀態(tài)方程進(jìn)行減壓波波速計算，計算結(jié)果見表2，減壓波波頭可以維持此速度直至儲氣庫末端，當(dāng)減壓波回彈時，隨著壓力下降，波速會降低。因此用表2中波速來判斷回彈減壓波是否會與擴(kuò)展中的裂紋相遇時，其結(jié)果相對保守。對于試驗場Φ1 219 mm試驗管列，即便在最大設(shè)計壓力20 MPa條件下進(jìn)行試驗，最低試驗溫度仍可以達(dá)到-13 ℃。在16 MPa以內(nèi)進(jìn)行試驗時，氣質(zhì)組份可以更富，試驗溫度可以更低。

圖2 減壓波回彈與裂紋擴(kuò)展示意圖

表1 G3氣質(zhì)組份(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2 不同溫度壓力組合下的裂紋擴(kuò)展速度

2.2 初始裂紋長度計算

管線上臨界裂紋尺寸計算公式如下：

(1)

σf=σy+68.95

(2)

(3)

(4)

CDL=2C

(5)

其中，r為管線鋼的外半徑，mm；t為管線鋼的壁厚，mm；p為管線鋼的運(yùn)行壓力，MPa；σf為管線鋼的流變應(yīng)力，MPa；σh為管線鋼的環(huán)向應(yīng)力，MPa；σy為管線鋼的屈服強(qiáng)度，MPa；C為裂紋長度的一半，mm；MT為鼓脹因子，CDL為臨界裂紋尺寸，mm。

表3為貫穿型裂紋臨界尺寸(2C)理論計算結(jié)果，對于不同級別的管線鋼，其貫穿型裂紋臨界尺寸一般都在300 mm以下，采用線性聚能切割裝置引入500 mm長的貫穿型初始裂紋完全能夠滿足試驗需要。

2.3 止裂器設(shè)計

儲氣管前端需安裝止裂器以防止試驗段高速擴(kuò)展的裂紋進(jìn)入儲氣管。選擇采用緊湊型鋼套筒止裂器，這種止裂器最主要的設(shè)計參數(shù)是鋼套筒的材質(zhì)，壁厚和長度[13-14]?？紤]到變形的協(xié)調(diào)性，選用與儲氣管相同的材料(X80鋼)來制作鋼套筒止裂器。

表3 貫穿型裂紋臨界尺寸(2C)理論計算結(jié)果

鋼套筒止裂器的厚度采用式(6)進(jìn)行計算：

(6)

式中，tarr為止裂器壁厚，mm；tpipe為儲氣管壁厚，mm；σu pipe為儲氣管抗拉強(qiáng)度，MPa；σu arr為止裂器抗拉強(qiáng)度，MPa。

由于止裂器與儲氣管材質(zhì)相同，因此σu pipe=σu arr，tarr=tpipe。對于Φ1 422 mm儲氣管，其止裂器壁厚為28.5 mm。對于Φ1 219 mm儲氣管，其止裂器壁厚為30.6 mm。

鋼套筒止裂器的長度采用式(7)進(jìn)行計算：

(7)

式中，L為止裂器長度,mm；D為儲氣管直徑，mm；M為止裂/擴(kuò)展邊界線斜率，Vf為斷裂速度，m/s；Vmin為最小斷裂速度，m/s。

圖3為止裂/擴(kuò)展邊界線斜率曲線，M由圖3得到。圖3中Cr為鋼管與止裂器的間距，R為儲氣管半徑。對于緊湊型鋼套筒止裂器，Cr取值為零，則M=8 425。根據(jù)全尺寸爆破試驗結(jié)果，對于延性裂紋擴(kuò)展，其斷裂速度通常在100～340 m/s之間[8,15]。在最保守的情況下Vf取值為340 m/s。Vmin可根據(jù)Battelle雙曲線方法(BTC)，由材料阻力曲線與減壓波曲線的切點得到，保守計算其取值為75 m/s。

對于Φ1 219 mm儲氣管，由公式7計算得到的止裂器長度為1 258 mm，設(shè)計時實際采用的主體長度為1 300 mm。對于Φ1 422 mm儲氣管，由公式7計算得到的止裂器長度為1 467 mm，設(shè)計時實際采用的主體長度為1 500 mm。

圖3 止裂/擴(kuò)展邊界線斜率

裂紋剛一進(jìn)入止裂器，由于載荷約束突然增大，從而沿止裂器前沿環(huán)切止裂的方式稱為硬止裂。硬止裂會將鋼管推出溝槽，對管線和周圍環(huán)境造成嚴(yán)重后果，因此需要避免。柔性止裂通過改變止裂器前沿形狀，使裂紋進(jìn)入止裂器時，約束逐漸增加，從而實現(xiàn)裂紋逐步減速直至止裂。鋼套筒止裂器設(shè)計時，考慮了柔性止裂方式。通過在止裂器端部加工坡口進(jìn)行柔性止裂，該坡口角度為15°±5°，如圖4所示。

圖4 柔性止裂坡口設(shè)計

3 結(jié)論及建議

1)通過減壓波回彈計算，得到試驗管和儲氣管長度分別為130 m和150 m。

2)通過貫穿型裂紋臨界尺寸計算得到線性聚能切割器長度為0.5 m。

3)通過止裂器厚度、長度計算及外形設(shè)計實現(xiàn)了管道柔性止裂。通過兩次OD1 422 X80，一次OD1 219 X90及兩次同溝敷設(shè)管道全尺寸爆破試驗驗證了這些設(shè)計參數(shù)的可靠性。建議進(jìn)一步完善相關(guān)試驗技術(shù)，為CO2、H2等特殊氣體管道的全尺寸爆破試驗奠定基礎(chǔ)。