天然氣輸送管線(xiàn)的止裂機理研究

焊管·第28卷第6期·2005年1月天然氣輸送管線(xiàn)的止裂機理研究楊政,霍春勇2,馮耀榮(1.西安交通大學(xué)土木工程系,西安7100492.中國石油天然氣總公司石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗室,西安710065)摘要:對天然氣輸送管道裂紋的受力情況及裂紋的止裂機理進(jìn)行了較為詳細的分析結果表明管道軸向裂紋動(dòng)態(tài)擴展的止裂性能與管材抵抗軸向裂紋擴展的能力有關(guān)但在天然氣傳輸管道中減壓速度低管道阻止軸向裂紋擴展的韌性對動(dòng)態(tài)裂紋的止裂并不起決定的作用其止裂的關(guān)鍵是裂紋動(dòng)態(tài)擴展過(guò)程中產(chǎn)生偏向環(huán)向的Ⅰ-Ⅲ型裂紋擴展。增大軸向裂紋擴展阻力和降低管材環(huán)向裂紋擴展阻力均可提高天然氣輸送管道的止裂性能。因此在高壓長(cháng)輸管線(xiàn)的止裂問(wèn)題中應充分考慮管材的各向異性對裂紋止裂的有利影響以降低管線(xiàn)的造價(jià)關(guān)鍵詞:輸氣管線(xiàn);裂紋;止裂;Ⅰ-Ⅲ復合型裂紋;應力中圖分類(lèi)號:TG11.91文獻標識碼:A文章編號:1001-3938(2005)06-0025-050引言1天然氣管線(xiàn)動(dòng)態(tài)斷裂分析管道運輸是石油、天然氣最經(jīng)濟、最方便、最高壓輸氣管道軸向斷裂動(dòng)態(tài)擴展是一個(gè)高壓主要的運輸方式。隨著(zhù)我國社會(huì )對能源需求的增氣體/結構/斷裂耦合作用下的動(dòng)態(tài)裂紋擴展問(wèn)加長(cháng)距離、大口徑、高壓力、耐腐蝕是我國油氣管題。氣體壓力作用于含裂紋結構產(chǎn)生裂紋驅動(dòng)道發(fā)展的必然趨勢高強度高韌性管道材料也是力結構開(kāi)裂導致內部氣體迅速溢岀裂紋擴展形必然的選擇。高壓油氣輸送管道的安全對國民經(jīng)成結構上移動(dòng)的邊界條件,裂紋擴展的規律事先濟有著(zhù)無(wú)可比擬的重要性具有重大的戰略意義并不能給出。而且結構出現大范圍塑性變形在和經(jīng)濟效益因此對油氣長(cháng)輸管線(xiàn)安全提岀了更管道斷口的塑性區內塑性變形不僅表現為管壁高的要求減薄而且還產(chǎn)生軸向的拉長(cháng)。由于這一軸向拉高壓長(cháng)輸管線(xiàn)的止裂問(wèn)題是目前國內外管道長(cháng)的塑性變形只在沿斷裂面窄長(cháng)的管壁上產(chǎn)生,建設中的技術(shù)難題之一1,許多災難性的油氣長(cháng)而非塑性變形區金屬軸向并沒(méi)有變化故在沿斷輸管道破壞事故起源于裂紋在管道上的迅速擴裂面的周邊上產(chǎn)生了折皺如圖1所示。展。長(cháng)輸管線(xiàn)必須具有抵抗裂紋或缺陷在靜載荷當管道上裂紋起裂和擴展時(shí),氣體壓力直接和動(dòng)載荷作用下起裂的能力,避免斷裂事故的發(fā)作用在開(kāi)裂的管壁上:由于管壁呈非線(xiàn)性失穩破生。正常使用情況下要求管道不開(kāi)裂或由于某壞所以管壁變形計算是分析開(kāi)裂管道的核心問(wèn)些非確定因素引起的微裂紋不至于迅速擴展保題。而管道的破壞是管壁變形、氣體流動(dòng)和裂紋征裂紋驅動(dòng)力小于管道材料的斷裂擴展阻力使擴展緊密相關(guān)的過(guò)程氣體壓力為管壁變形和裂破壞程度限于盡可能小的局部范圍是防止災難中國煤化工道形狀和裂紋擴展又性事故發(fā)生的第二道防線(xiàn)。因此提高管道材料呵YHCNMHG的分布。圖2是全尺的止裂能力建立防止災難性事故發(fā)生的第二道寸爆破試驗測量數據重建旳管壁橫截面變形圖,防線(xiàn)是十分必要的更清楚地反映了裂紋附近管壁的變形情況。圖中*中國石油天然氣總公司管材研究所資助項目(WT04-013)焊管2005年11月減壓波速判據當裂紋擴展速度低于管內壓力的減壓速度時(shí)裂紋會(huì )停止擴展當裂紋擴展速度高于管內介質(zhì)的減壓波速時(shí)不會(huì )發(fā)生止裂。對于前一種情況從裂源處開(kāi)始減壓波前沿的移動(dòng)速度比斷裂擴展速度更快使得裂紋尖端的管壁應力因減壓波的通過(guò)而不斷減小并最終降至止裂應力水平以下而使裂紋止裂反之裂紋尖端的壓力不發(fā)生變化斷裂將持續擴展因為裂紋尖端的動(dòng)態(tài)裂紋驅動(dòng)力不會(huì )減小。裂紋在材料中的擴展速度與材料的韌性有關(guān)。對于相同的材料在溫度和管壁厚度不變時(shí),圖1高壓輸氣管線(xiàn)爆破試驗斷口2裂紋擴展速度基本相同。管內介質(zhì)的減壓波速與傳輸介質(zhì)有關(guān)占與聲波在傳輸介質(zhì)中的傳播速度距裂尖1.5倍直徑處距裂尖1倍直徑處相同。圖3為全尺寸管道氣體爆破試驗環(huán)向不同距裂尖2.5倍直徑處原始管壁位置壓力測量值與時(shí)間的關(guān)系爆破開(kāi)始66ms后裂紋到達測量位置。從圖中可以看出裂紋前端有一個(gè)減壓區域裂尖的壓力大約為5.7MP裂尖處管壁距裂尖0.5倍直徑處(管道的初始工作壓力為10.8MPa)。因此裂尖將一直由較高的壓力(5.7MPa)控制處于較高的應力狀態(tài)裂紋一旦高速擴展若工作壓力保持不變根據管道內介質(zhì)減壓原理管道軸向裂紋動(dòng)態(tài)擴展是不可能止裂的。然而現有的高韌性管圖2全尺寸爆破試驗管壁截面變形圖3道試驗數據表明在韌性一致的管段中也會(huì )發(fā)生斷裂擴展速度逐漸減慢甚至止裂現象。說(shuō)明止裂對于給定的同一時(shí)刻描繪了管道原始截面、裂紋與否不僅取決于管段的韌性還與裂紋進(jìn)入管段尖端截面、距裂尖不同距離的截面的變形狀態(tài)。的速度、裂紋在管段內擴展的距離以及管道斷裂管壁形狀由加壓前的圓形過(guò)渡到即將開(kāi)裂時(shí)的橢時(shí)的幾何構形等有關(guān)。高韌性管線(xiàn)鋼的小尺寸試圓形狀而當裂紋擴展時(shí)在裂囗處管壁張開(kāi)裂樣和管道全尺寸試驗表明韌性斷裂過(guò)程中裂紋紋后面變形越來(lái)越大。裂紋端部前面一點(diǎn)的管壁的擴展速度不是一成不變的。裂紋尖端附近在斷裂到達之前發(fā)生快速徑向顫動(dòng)。動(dòng)態(tài)裂紋開(kāi)裂后管壁幾何構形改變引起裂尖應力狀態(tài)變擴展的驅動(dòng)力不僅來(lái)自管壁金屬中的彈性應變化從而引起裂紋擴散速度的變化。整個(gè)斷裂過(guò)能更主要的是來(lái)自外泄氣體給已破裂、翻開(kāi)的管程由許多起裂、擴展和止裂的小過(guò)程構成壁的作用力。當管線(xiàn)裂紋擴展速度低于管內介質(zhì)的減壓波速度時(shí)裂尖壓力將會(huì )逐漸降低直至裂紋停止擴展而當裂紋擴展速度高于管內介質(zhì)的減壓波速時(shí)裂尖將持續保持高壓狀態(tài),即不會(huì )發(fā)生止裂中國煤化工除非遇到焊縫或是更厚、更高韌性的鋼管)介CNMHG質(zhì)的減壓波速度越快管線(xiàn)越容易止裂。從能量的角度來(lái)看裂紋擴展驅動(dòng)力G和結構阻止裂紋2030405060708090100擴展能力R的相對大小決定了管道中裂紋的擴時(shí)間/m展與止裂46。根據管道動(dòng)態(tài)斷裂擴展與止裂的圖3管道爆破試驗不同位置壓力與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)3第28卷第6期楊政等天然氣輸送管線(xiàn)的止裂機理研究圖4是高性能管線(xiàn)鋼DWT載荷位移曲線(xiàn)X100級管線(xiàn)鋼)。動(dòng)態(tài)裂紋擴展管段和止裂管段均為延性斷裂。然而在裂紋擴展階段止裂管段單位位移所吸收的能量比擴展管段單位位移所x吸收的能量高。從圖中可以看出止裂管段和擴展管段的DWTT載荷-位移曲線(xiàn)并無(wú)本質(zhì)的差別郾使在韌性遠低于止裂韌性的管道中也會(huì )出現明顯的裂紋減速和止裂現象6。因此盡管管道軸向裂紋動(dòng)態(tài)擴展的止裂性能與管材抵抗軸向裂紋擴展的能力有關(guān)但在天然氣輸送管道中管道阻止軸向裂紋擴展的韌性對動(dòng)態(tài)裂紋的止裂并圖5裂尖管壁平面內的應力狀態(tài)不起決定的作用其止裂的關(guān)鍵是裂紋動(dòng)態(tài)擴展過(guò)程中產(chǎn)生偏向環(huán)向的Ⅰ-Ⅲ型裂紋擴展裂紋尖端一 ECSC X100中914.4mm×16m止裂管段ECSC X100中914.4mm×16m擴展管段DEMOPIPE X100914.4m×16m擴展管段300逸出氣體壓力酃200圖6逸出氣體對管壁的作用裂尖位移/mm圖4X100級管線(xiàn)鋼DwT載荷-位置曲線(xiàn)712動(dòng)態(tài)裂紋擴展裂尖的受力狀態(tài)裂紋動(dòng)態(tài)擴展過(guò)程中裂尖處管壁形狀由裂紋到達前的圓形過(guò)渡到橢圓形管壁的曲率減小圖7裂尖的應力狀態(tài)裂紋擴展垂直方向應力集中使管壁局部環(huán)向拉長(cháng)從而使壁厚減薄。從輸氣管道全尺寸爆破試的。大量試驗表明:天然氣輸送管道軸向動(dòng)態(tài)裂驗破裂斷口可以看出破裂斷口的周邊上產(chǎn)生了紋擴展止裂時(shí)均發(fā)生了環(huán)向I-Ⅲ復合型斷裂折皺斷口局部軸向拉長(cháng)如圖1所示。軸向拉長(cháng)從而使軸向裂紋動(dòng)態(tài)擴展止裂如圖8所示。軸拉力來(lái)自在裂口處逸出氣體對管壁的壓力該壓向裂紋的擴展速度與管材的軸向韌性、管道的工力使管壁張開(kāi)同時(shí)使管壁承受局部軸向拉力。作壓力、軸向裂紋裂尖的尖銳度等因素有關(guān)環(huán)向從斷口殘余的局部塑性變形分析裂紋尖端的軸Ⅰ-Ⅲ復合型斷裂與管材的環(huán)向韌性、逸出氣體向拉應力很大使材料軸向屈服并產(chǎn)生很大的軸對管壁的壓力、管道破裂后的幾何構形等因素有向變形。裂紋尖端受到環(huán)向拉伸軸向拉伸和氣關(guān)中國煤化工合型裂紋擴展裂紋體對管壁的壓縮為三向受力狀態(tài)如圖5、圖6、將∏ CNMHG距離軸向動(dòng)態(tài)裂紋擴圖7所示。展將被停止即使在韌性遠低于止裂韌性的管道裂紋可能發(fā)生軸向I型動(dòng)態(tài)擴展而使斷裂中也會(huì )出現明顯的裂紋減速和止裂現象。因持續發(fā)生。對于天然氣輸送管道軸向Ⅰ型裂紋此要使天然氣輸送管道軸向動(dòng)態(tài)裂紋擴展止裂,的動(dòng)態(tài)擴展靠管道內天然氣的減壓是不可能止裂必須產(chǎn)生環(huán)向I-Ⅲ復合型裂紋擴展。焊管2005年11月s1起裂管NN3最高在0°~90°之間其韌性介于最高和最低之間。在直縫焊管中,管材沿軸向的裂紋擴展阻力202148351驢2188cJ最低而管材對環(huán)向裂紋的擴展阻力最高。因此十-「對于直縫焊管裂紋軸向動(dòng)態(tài)擴展正是沿著(zhù)管材961391945108169z75c、/J裂紋擴展阻力最小的方向擴展。為了使動(dòng)態(tài)裂紋擴展得到止裂除了提高管道對軸向裂紋的擴展阻力使管材中韌性最小方向的韌性提高外還可20910312751122153202c,/JS3 S2 SI起裂管以通過(guò)降低管材環(huán)向的裂紋擴展阻力使裂紋擴展后迅速產(chǎn)生偏離軸向的Ⅰ-Ⅲ型環(huán)向裂紋而使79155156c,/J軸向裂紋得以止裂即通過(guò)降低管材環(huán)向韌性可以提高管道的止裂能力。145189399125129cy/J80△管EB-1,未壓平s1起裂管N▲管EB-1,壓平o管EB-3,未壓平50·管E-3,壓平341260241203208206324cy/J千-+A軋制方向鋼管材質(zhì):S52直徑4064mm,壁厚79m306090120150圖8日本高強度輸送管委員會(huì )試驗的取樣方向與軋制方向夾角a/()裂紋擴展與止裂示意圖81圖9CVN值與軋制方向的關(guān)系9裂紋沿軸向擴展的速度是變化的裂紋的動(dòng)基于目前管線(xiàn)中廣泛采用的控軋鋼各向異性態(tài)擴展過(guò)程中裂尖的應力狀態(tài)不同。當裂紋重新的力學(xué)特點(diǎn)在焊管本身質(zhì)量得到保證的前提下,起裂或加速打展時(shí)裂紋是沿原有路徑的型裂根據以上所分析的輸氣管線(xiàn)裂紋動(dòng)態(tài)擴展止裂原紋擴展還是沿環(huán)向的I-Ⅲ復合型裂紋擴展取理螺旋焊管對裂紋長(cháng)距離擴展的止裂更為有利。決于裂紋尖端的應力狀態(tài)和材料不同方向的性對于管線(xiàn)來(lái)說(shuō)由管道內壓引起的最大主應力為能。在管道的工作壓力、溫度及幾何構形相同情環(huán)向應力亦即管道內壓最大驅動(dòng)開(kāi)裂的方向是況下要產(chǎn)生環(huán)向I-Ⅲ復合型裂紋起裂可以通沿軸向的。對于直縫管來(lái)說(shuō)最大驅動(dòng)開(kāi)裂的方過(guò)兩個(gè)途徑實(shí)現增大軸向裂紋擴展阻力(即增向與最小斷裂阻力方向是一致的因而斷裂必定加該方向材料的韌性和降低管材環(huán)向裂紋擴展是沿軸向進(jìn)行的。然而對于螺旋管來(lái)說(shuō)二者并阻力(即降低該方向材料的韌性〉。不一致斷裂沿何方向擴展與管材CWN值的各向目前天然氣長(cháng)輸管線(xiàn)通常采用的高性能控軋異性的大小和螺旋角度有關(guān)。螺旋管斷裂擴展的鋼其不同方向的力學(xué)性能差異較大存在嚴重的方向取決于該螺旋管管材CWN值的各向異性的各向異性現象。除了厚度方向與板面內的力學(xué)性大小。根據螺旋焊縫鋼管管材的CW各向異性能存在非常大的差異之外在板面內隨著(zhù)與軋制程度不同對于沿軸向具有同樣長(cháng)度2c)預制裂方向的不同其力學(xué)性能也有明顯的差異。圖9紋中國煤化工擴展有不同情況。第為由 Kramer及 Wilkowski試驗所得的管線(xiàn)鋼CVNCNMHG向及沿軋制方向的值與軋制方向的關(guān)系取樣方向與軋制方向呈CN值差不多即各向異性較小,此時(shí)各方向斷90時(shí)即試樣裂紋擴展方向與軋制方向一致時(shí),裂阻力相差不多斷裂將沿軸向擴展裂紋的動(dòng)態(tài)其CWN值最低取樣方向與軋制方向呈0°時(shí),即擴展與直縫焊管相同如圖10a廝所示第二種情試樣裂紋擴展方向與軋制方向垂直時(shí)其CWN值況當各向異性超過(guò)一定程度后裂紋起裂時(shí)經(jīng)過(guò)第28卷第6期楊政等天然氣輸送管線(xiàn)的止裂機理研究較短的軸向擴展后由于逸出氣體對破裂后管壁軸向裂紋止裂。因此在高壓長(cháng)輸管線(xiàn)的止裂的壓力作用迅速產(chǎn)生沿軋制方向的裂紋擴展從題中應充分考慮管材的各向異性對裂紋止裂的有而使管道減壓速度大于裂紋擴展速度的軸向分利影響從而降低管線(xiàn)的造價(jià)。量軸向動(dòng)態(tài)裂紋止裂如圖1∝(b)所示。螺旋焊管成型角一般為40°~66°管材韌性最低方向與參考文獻軸向裂紋擴展方向不一致,管道軸向不是管材韌性最低的方向。因此輸氣管道軸向動(dòng)態(tài)裂紋擴[IJ家華.西氣東輸工程J]焊管20003(3)21展過(guò)程中更易產(chǎn)生偏離軸向的I-Ⅲ型環(huán)向裂[2 ]Mannucci G Demofont G, Harris d et al. Fracture Prop紋而使軸向裂紋止裂。erties of API X100 Gas Pipeline Steels[ DB/OLtp/www.europipe.com/docs/ep-tp-_39-01_en.pdi2004-12-05穩定不[3 J0 Donoghue P E, Kanninen M F Leung C p et al. TheDevelopment and Validation of a Dynamic Fracture Prop-agation Model for Gas Transmission Pipelines[ J ].Inter(a)低各向異性Pressure Vessels And Piping 1997 701): 1-25[4逹李鶴林.油氣輸送鋼管的發(fā)展動(dòng)向與展蜇J]焊管20042x(6)1-11[5李鶴林.石油管工程M]北京:石油工業(yè)岀版社204[6]小川莊茁.高韌性管道動(dòng)態(tài)斷裂的氣體減壓模式(b)各向異性和材料韌性研究[J]力學(xué)學(xué)報.200335(5)“15圖10螺旋管斷裂擴展的典型情況”[7 ] Demofonti G Mannucci G Hillenbrand H G et al. Suita-bility Evaluation of X100 Steel Pipes for High PressureGas Transportation Pipelines by Full Scale Tests[ DB/3結論Ol].http:/www.europipe.com/docs/ep-tp-_51-02en. pdf 2004[8 HIroyuki MAKINo Takahiri KUBo Toyoaki SHIWAKU(1)管管道軸向裂紋動(dòng)態(tài)擴展的止裂性能et al. Prediction for Crack Propagation and Arrest of Shear與管材抵抗軸向裂紋擴展的能力有關(guān)但在天然Fracture in Ultra-High Pressure Natural Gas Pipelines[C] Proceedings of the Special Party of ASME Lang氣輸送管道中管道阻止軸向裂紋擴展的韌性對fang 2000動(dòng)態(tài)裂紋的止裂并不起決定的作用其止裂的關(guān)[9家華油氣管道斷裂力學(xué)分析M北京石油工業(yè)鍵是裂紋動(dòng)態(tài)擴展過(guò)程中產(chǎn)生偏向環(huán)向的I-Ⅲ型裂紋擴展。增大軸向裂紋擴展阻力和降低管材作者簡(jiǎn)介楊政1964-)男副教授博士(地址)陜西環(huán)向裂紋擴展阻力均可提高管道的止裂性能省西安市電子二路32號(電話(huà))09-82671716E-mail)(2)螺旋焊管管材韌性最低方向與軸向裂紋ang@ D mail. xitu.ch.cme擴展方向不一致,管道軸向不是管材韌性最低的收稿日期2005-06-06方向。輸氣管道軸向動(dòng)態(tài)裂紋擴展過(guò)程中,螺旋修改稿收稿日期2005焊管更易產(chǎn)生偏離軸向的Ⅰ-Ⅲ型環(huán)向裂紋而使編輯黃勇公告管端護圈》和《塑料坡口防護帶》是我公司常建新總經(jīng)理的?利號分別為ZI03254552.5和ZL03255041.3《鋼塑復合結構管中國煤化工建新的實(shí)用新型發(fā)明于2005年8月24日被中華人民共和國知識產(chǎn)權局受理申請號為2CNMHG國首創(chuàng )其新穎性、創(chuàng )造性和實(shí)用性被用戶(hù)一致認可產(chǎn)品在國內外重大油氣管道項目得到廣之的米用但是最伺些家違反中華人民共和國專(zhuān)利法的規定侵害專(zhuān)利權人的專(zhuān)有權益未經(jīng)許可仿冒生產(chǎn)為此特發(fā)此公告制止其違法行為以維護法律的尊嚴和自身的利益。公告人荊州市聚英工貿有限公司企業(yè)法律顧問(wèn)熊昌元2005年11月10日