池强等：高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术研究

高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术研究

池强，杨坤，李鹤，李炎华

（中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室）

摘要：为了全面掌握高钢级管道止裂韧性预测方法，对高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术进行了研究。在设计试验流程、钢管排布、传感器安装和数据采集等方案的基础上，对Φ1422mm X80钢级螺旋缝埋弧焊管进行了压力13.3MPa的全尺寸气体爆破试验。结果显示，管道全尺寸爆破试验顺利实施，裂纹扩展速度、减压波等数据采集技术可靠，测试结果准确，与理论计算结果一致性较好。结果表明，我国已攻克并掌握全尺寸气体爆破试验关键技术，进一步提升了管道断裂控制研究方面的能力。

关键词：高钢级天然气管道；止裂韧性；断裂控制；全尺寸气体爆破试验

1 概 述1.1 研究意义

随着我国天然气需求量的与日俱增和管线钢技术的不断进步，我国天然气管道逐步迈入 “高钢级、大直径、高压力”时代[1-3]，然而随着钢级、输送压力、管径及设计系数的不断提高，天然气长输管道的裂纹长程扩展问题日益突出，往往带来灾难性后果，因此制定安全可靠的止裂韧性指标是管道断裂问题研究的重点和难点[4-8]。

天然气管道的止裂韧性通常通过夏比冲击功（CVN）来表征。GB9711附录G推荐了EPRG准则、Battelle双曲线法、全尺寸气体爆破试验等5种用于计算预测管道的止裂韧性[9]。其中，全尺寸气体爆破试验属于实物试验，而其他方法则是基于实验室结果通过模型计算、修正而获得[10-14]。对于高钢级管道 （X80），许多方法需要实物试验修正，尤其是需要利用全尺寸气体爆破试验的结果对其计算模型进行验证。

全尺寸气体爆破试验通过对不同CVN韧性的钢管进行由低 （起爆侧）到高 （止裂侧）的排布，在起爆点引入初始裂纹后，根据裂纹止裂时钢管的CVN确定整个管线止裂所需止裂韧性。此方法与管道实际服役环境相近，因此能准确获得管线止裂所需的CVN值，是断裂控制技术中重要的试验研究方法之一。尽管试验所需的试验周期较长、花费较大且有一定的危险性，但迄今为止仍是最为可靠的止裂韧性指标制定方法。

截至目前，中国石油在国内共开展了4次管道全尺寸气体爆破试验，掌握了试验的核心技术和分析方法，积累了宝贵的数据和经验，这些都会为天然气管道建设及运行安全提供技术保障和支撑。

1.2 国内外研究现状

全尺寸气体爆破试验由于试验周期久、费用高、安全性等问题，国际上也仅有少数几个国家的研究机构具有全尺寸气体爆破试验的条件和能力，如意大利CSM、英国GL以及中国CNPC等。而在止裂韧性预测模型研究方面，以BTC（Battelle双曲线）模型为代表的止裂韧性预测手段得到了蓬勃的发展[13-15]。Battelle双曲线法将断裂速度曲线 （驱动力）和钢管韧性或阻力曲线相匹配而成。当两曲线相切时，定义为止裂所需的最小断裂韧性。国际管线研究委员会 （PRCI）208 告，PR-3-9113描述了 Battelle双曲线法， 告中也给出了试验数据的范围，如果计算的全尺寸CVN吸收功值大于100 J，则要求修正止裂韧性。我国在西气东输、陕京管道等工程中大量使用了X80钢管，钢管CVN值均在200 J以上，在计算止裂韧性时，必须要根据爆破试验结果对模型进行修正，才能获得安全、可靠的技术指标。

2 天然气管道全尺寸气体爆破试验2.1 试验简介及流程

全尺寸气体爆破试验通过焊接的方式设置试验段。试验段中间放置低韧性钢管作为起裂管，起裂管两侧排列试验管 （常采取韧性由低到高的方式排列）。通过线性聚能切割器在起裂管引入初始裂纹。在内压的驱动下，裂纹由起裂管向两侧试验管扩展。当裂纹扩展驱动力 （裂纹尖端气体压力）大于裂纹扩展阻力 （钢管自身韧性）时，裂纹将加速扩展；当裂纹扩展驱动力等于裂纹扩展阻力时，裂纹将稳态扩展；当裂纹扩展的驱动力小于裂纹扩展阻力时，裂纹将减速直至停止扩展。试验过程中通过专用仪器对管体数据及爆炸危害数据进行采集和处理。

全尺寸气体爆破试验流程如图1所示。整个试验流程包括钢管选管 （根据性能）、管沟开挖、布置、焊接、传感器安装、数据采集调试、管道试压、土壤回填、氮气置换、天然气升压、切割器和引燃装置安装、启爆、数据采集及分析等多个工序，涵盖材料、机械、储运、电气电路等多个专业的内容，其中最为核心内容是钢管布置方案、数据采集传感器布置以及结果分析过程。

图1 全尺寸气体爆破试验流程

2.2 试验装置及布置

2.2.1 试验钢管及布置

试验采用的钢管包括起裂管、过渡管和目标管，其中起裂管和目标管为试验必备钢管，过渡管为试验可选钢管，试验钢管排布如图2所示。

图2 全尺寸气体爆破试验钢管及布置

在起裂管或者过渡管两侧按韧性递增的顺序放置目标管用于确定钢管的止裂韧性。在放置过渡管的情况下，最有可能止裂的目标管宜放置在起裂管两侧第三根钢管位置；在不放置过渡管的情况下，最有可能止裂的目标管宜放置在起裂管两侧第二根钢管位置。

除钢管夏比冲击功以外，钢管的其他性能（如拉伸性能、落锤撕裂性能、微观组织等）也需要获得，用于预测模型研究以及试验结果分析。

2.2.2 数据采集及传感器布置

全尺寸气体爆破试验预测钢管的止裂韧性过程中必须获得裂纹的扩展速度以及气体的减压行为，不仅可对止裂模型进行修正，还可与止裂管的韧性结果进行对比分析。在试验中，裂纹扩展速度和减压波关系是通过时间线以及高频压力传感器获得。

全尺寸气体爆破试验时间线安装及布置情况如图3所示。时间线通常在管道试验前安装，采用0.5～1 mm2单股铜芯纱包线作为时间线，在固定位置安装，通过时间线的通断信号来记录裂纹到达时刻，利用相邻时间线间隔距离及通断时间计算裂纹扩展速度。

图3 全尺寸气体爆破试验时间线安装及布置情况

钢管在裂纹扩展过程中，内部压力下降，在裂纹尖端的压力是裂纹继续扩展的驱动力。通过高精度的高频压力传感器，可获得裂纹扩展瞬间的压力变化情况，从而计算气体的减压波曲线。压力传感器及其安装位置如图4所示。压力传感器安装在钢管上 （打孔安装），需具有高精度、密封性好、耐冲击的特点，安装位置要避开裂纹的扩展路径，防止传感器损坏。

除上述传感器之外，还可根据试验需求安装应变片、应变花、温度传感器等仪器，用于测试钢管在裂纹扩展中的变形、气体温度变化等试验参数和数据。

图4 压力传感器及其安装位置

3 试验结果分析3.1 裂纹扩展速度分析

在深入研究试验技术的基础上，开展了X80钢级Φ1 422 mm螺旋焊管的全尺寸气体爆破试验，其目的是为验证中俄东线管道止裂韧性指标预测。试验压力选定13.3 MPa，根据Battelle双曲线法及合适的修正系数，预测的止裂韧性范围为236～289 J。

X80钢级Φ1 422 mm螺旋缝埋弧焊管的全尺寸气体爆破试验如图5所示。试验过程中裂纹共扩展了3根钢管，在南、北两侧第一根钢管发生止裂 （见图5（b））。其中起裂管韧性为233 J，止裂管韧性分别为296 J和304 J。由试验结果可知，实际止裂韧性应在233～296 J，与预测结果基本一致。

图5 X80钢级Φ1 422 mm螺旋缝埋弧焊管的全尺寸气体爆破试验

X80钢级Φ1 422 mm螺旋缝埋弧焊管试验过程中裂纹扩展速度变化情况如图6所示。裂纹扩展速度曲线的结果与试验结果相符，可以看出裂纹在起裂管起裂后，裂纹扩展速度迅速升高，随后保持稳定，而扩展至南、北侧第一根钢管时，扩展速度急速降低，并发生止裂，裂纹稳态扩展时的状态下应为管道止裂的临界条件。南北两侧的裂纹扩展速度变化较为相似，说明管道的性能较为均匀，两侧的结果可以互相验证。

3.2 减压波分析

X80钢级Φ1 422 mm螺旋缝埋弧焊管全尺寸气体爆破试验的减压波如图7所示。根据所采集的压力变化关系 （见图7（a））绘制了减压波曲线 （见图7（b））。同时通过GERG状态方程根据实测天然气组分、温度和压力计算得到了天然气的减压波。实测减压波与模型计算得到的减压波对比见图7（c）。从图7（a）中可以看出不同位置上的压力下降具有明显的时间先后规律，说明传感器工作正常，数据采集良好。对于图7（a）的结果开展截线法，可获得减压波速曲线。通过图7（c）可以看出计算结果与试验结果在高压部分的数据一致性较好，而在低压部分则相对较差，整体相差不大，说明该方法获得的减压波数据较为准确可靠。

图6 X80钢级Φ1 422 mm螺旋缝埋弧焊管试验过程中裂纹扩展速度变化情况

图7 X80钢级Φ1 422 mm螺旋缝埋弧焊管全尺寸气体爆破试验的减压波

4 结 论

（1）管道全尺寸气体爆破试验的顺利开展表明，设计提出的试验流程、钢管排布方案、数据测试方法切实可行；我国已攻克全尺寸气体爆破试验的关键技术难题，摆脱了对国外技术的依赖。

（2）X80钢级Φ1 422 mm管道全尺寸气体爆破试验与理论计算结果较为一致，为国内重大管道工程管材关键技术指标制定提供了重要的技术支撑。