天然气输送管线的止裂机理研究

焊管·第28卷第6期·2005年1月天然气输送管线的止裂机理研究杨政,霍春勇2,冯耀荣(1.西安交通大学土木工程系,西安7100492.中国石油天然气总公司石油管力学和环境行为重点实验室,西安710065)摘要:对天然气输送管道裂纹的受力情况及裂纹的止裂机理进行了较为详细的分析结果表明管道轴向裂纹动态扩展的止裂性能与管材抵抗轴向裂纹扩展的能力有关但在天然气传输管道中减压速度低管道阻止轴向裂纹扩展的韧性对动态裂纹的止裂并不起决定的作用其止裂的关键是裂纹动态扩展过程中产生偏向环向的Ⅰ-Ⅲ型裂纹扩展。增大轴向裂纹扩展阻力和降低管材环向裂纹扩展阻力均可提高天然气输送管道的止裂性能。因此在高压长输管线的止裂问题中应充分考虑管材的各向异性对裂纹止裂的有利影响以降低管线的造价关键词:输气管线;裂纹;止裂;Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹;应力中图分类号:TG11.91文献标识码:A文章编号:1001-3938(2005)06-0025-050引言1天然气管线动态断裂分析管道运输是石油、天然气最经济、最方便、最高压输气管道轴向断裂动态扩展是一个高压主要的运输方式。随着我国社会对能源需求的增气体/结构/断裂耦合作用下的动态裂纹扩展问加长距离、大口径、高压力、耐腐蚀是我国油气管题。气体压力作用于含裂纹结构产生裂纹驱动道发展的必然趋势高强度高韧性管道材料也是力结构开裂导致内部气体迅速溢岀裂纹扩展形必然的选择。高压油气输送管道的安全对国民经成结构上移动的边界条件,裂纹扩展的规律事先济有着无可比拟的重要性具有重大的战略意义并不能给出。而且结构出现大范围塑性变形在和经济效益因此对油气长输管线安全提岀了更管道断口的塑性区内塑性变形不仅表现为管壁高的要求减薄而且还产生轴向的拉长。由于这一轴向拉高压长输管线的止裂问题是目前国内外管道长的塑性变形只在沿断裂面窄长的管壁上产生,建设中的技术难题之一1,许多灾难性的油气长而非塑性变形区金属轴向并没有变化故在沿断输管道破坏事故起源于裂纹在管道上的迅速扩裂面的周边上产生了折皱如图1所示。展。长输管线必须具有抵抗裂纹或缺陷在静载荷当管道上裂纹起裂和扩展时,气体压力直接和动载荷作用下起裂的能力,避免断裂事故的发作用在开裂的管壁上:由于管壁呈非线性失稳破生。正常使用情况下要求管道不开裂或由于某坏所以管壁变形计算是分析开裂管道的核心问些非确定因素引起的微裂纹不至于迅速扩展保题。而管道的破坏是管壁变形、气体流动和裂纹征裂纹驱动力小于管道材料的断裂扩展阻力使扩展紧密相关的过程气体压力为管壁变形和裂破坏程度限于尽可能小的局部范围是防止灾难中国煤化工道形状和裂纹扩展又性事故发生的第二道防线。因此提高管道材料呵YHCNMHG的分布。图2是全尺的止裂能力建立防止灾难性事故发生的第二道寸爆破试验测量数据重建旳管壁横截面变形图,防线是十分必要的更清楚地反映了裂纹附近管壁的变形情况。图中*中国石油天然气总公司管材研究所资助项目(WT04-013)焊管2005年11月减压波速判据当裂纹扩展速度低于管内压力的减压速度时裂纹会停止扩展当裂纹扩展速度高于管内介质的减压波速时不会发生止裂。对于前一种情况从裂源处开始减压波前沿的移动速度比断裂扩展速度更快使得裂纹尖端的管壁应力因减压波的通过而不断减小并最终降至止裂应力水平以下而使裂纹止裂反之裂纹尖端的压力不发生变化断裂将持续扩展因为裂纹尖端的动态裂纹驱动力不会减小。裂纹在材料中的扩展速度与材料的韧性有关。对于相同的材料在温度和管壁厚度不变时,图1高压输气管线爆破试验断口2裂纹扩展速度基本相同。管内介质的减压波速与传输介质有关占与声波在传输介质中的传播速度距裂尖1.5倍直径处距裂尖1倍直径处相同。图3为全尺寸管道气体爆破试验环向不同距裂尖2.5倍直径处原始管壁位置压力测量值与时间的关系爆破开始66ms后裂纹到达测量位置。从图中可以看出裂纹前端有一个减压区域裂尖的压力大约为5.7MP裂尖处管壁距裂尖0.5倍直径处(管道的初始工作压力为10.8MPa)。因此裂尖将一直由较高的压力(5.7MPa)控制处于较高的应力状态裂纹一旦高速扩展若工作压力保持不变根据管道内介质减压原理管道轴向裂纹动态扩展是不可能止裂的。然而现有的高韧性管图2全尺寸爆破试验管壁截面变形图3道试验数据表明在韧性一致的管段中也会发生断裂扩展速度逐渐减慢甚至止裂现象。说明止裂对于给定的同一时刻描绘了管道原始截面、裂纹与否不仅取决于管段的韧性还与裂纹进入管段尖端截面、距裂尖不同距离的截面的变形状态。的速度、裂纹在管段内扩展的距离以及管道断裂管壁形状由加压前的圆形过渡到即将开裂时的椭时的几何构形等有关。高韧性管线钢的小尺寸试圆形状而当裂纹扩展时在裂囗处管壁张开裂样和管道全尺寸试验表明韧性断裂过程中裂纹纹后面变形越来越大。裂纹端部前面一点的管壁的扩展速度不是一成不变的。裂纹尖端附近在断裂到达之前发生快速径向颤动。动态裂纹开裂后管壁几何构形改变引起裂尖应力状态变扩展的驱动力不仅来自管壁金属中的弹性应变化从而引起裂纹扩散速度的变化。整个断裂过能更主要的是来自外泄气体给已破裂、翻开的管程由许多起裂、扩展和止裂的小过程构成壁的作用力。当管线裂纹扩展速度低于管内介质的减压波速度时裂尖压力将会逐渐降低直至裂纹停止扩展而当裂纹扩展速度高于管内介质的减压波速时裂尖将持续保持高压状态,即不会发生止裂中国煤化工除非遇到焊缝或是更厚、更高韧性的钢管)介CNMHG质的减压波速度越快管线越容易止裂。从能量的角度来看裂纹扩展驱动力G和结构阻止裂纹2030405060708090100扩展能力R的相对大小决定了管道中裂纹的扩时间/m展与止裂46。根据管道动态断裂扩展与止裂的图3管道爆破试验不同位置压力与时间关系曲线3第28卷第6期杨政等天然气输送管线的止裂机理研究图4是高性能管线钢DWT载荷位移曲线X100级管线钢)。动态裂纹扩展管段和止裂管段均为延性断裂。然而在裂纹扩展阶段止裂管段单位位移所吸收的能量比扩展管段单位位移所x吸收的能量高。从图中可以看出止裂管段和扩展管段的DWTT载荷-位移曲线并无本质的差别郾使在韧性远低于止裂韧性的管道中也会出现明显的裂纹减速和止裂现象6。因此尽管管道轴向裂纹动态扩展的止裂性能与管材抵抗轴向裂纹扩展的能力有关但在天然气输送管道中管道阻止轴向裂纹扩展的韧性对动态裂纹的止裂并图5裂尖管壁平面内的应力状态不起决定的作用其止裂的关键是裂纹动态扩展过程中产生偏向环向的Ⅰ-Ⅲ型裂纹扩展裂纹尖端一 ECSC X100中914.4mm×16m止裂管段ECSC X100中914.4mm×16m扩展管段DEMOPIPE X100914.4m×16m扩展管段300逸出气体压力酃200图6逸出气体对管壁的作用裂尖位移/mm图4X100级管线钢DwT载荷-位置曲线712动态裂纹扩展裂尖的受力状态裂纹动态扩展过程中裂尖处管壁形状由裂纹到达前的圆形过渡到椭圆形管壁的曲率减小图7裂尖的应力状态裂纹扩展垂直方向应力集中使管壁局部环向拉长从而使壁厚减薄。从输气管道全尺寸爆破试的。大量试验表明:天然气输送管道轴向动态裂验破裂断口可以看出破裂断口的周边上产生了纹扩展止裂时均发生了环向I-Ⅲ复合型断裂折皱断口局部轴向拉长如图1所示。轴向拉长从而使轴向裂纹动态扩展止裂如图8所示。轴拉力来自在裂口处逸出气体对管壁的压力该压向裂纹的扩展速度与管材的轴向韧性、管道的工力使管壁张开同时使管壁承受局部轴向拉力。作压力、轴向裂纹裂尖的尖锐度等因素有关环向从断口残余的局部塑性变形分析裂纹尖端的轴Ⅰ-Ⅲ复合型断裂与管材的环向韧性、逸出气体向拉应力很大使材料轴向屈服并产生很大的轴对管壁的压力、管道破裂后的几何构形等因素有向变形。裂纹尖端受到环向拉伸轴向拉伸和气关中国煤化工合型裂纹扩展裂纹体对管壁的压缩为三向受力状态如图5、图6、将∏ CNMHG距离轴向动态裂纹扩图7所示。展将被停止即使在韧性远低于止裂韧性的管道裂纹可能发生轴向I型动态扩展而使断裂中也会出现明显的裂纹减速和止裂现象。因持续发生。对于天然气输送管道轴向Ⅰ型裂纹此要使天然气输送管道轴向动态裂纹扩展止裂,的动态扩展靠管道内天然气的减压是不可能止裂必须产生环向I-Ⅲ复合型裂纹扩展。焊管2005年11月s1起裂管NN3最高在0°~90°之间其韧性介于最高和最低之间。在直缝焊管中,管材沿轴向的裂纹扩展阻力202148351驴2188cJ最低而管材对环向裂纹的扩展阻力最高。因此十-「对于直缝焊管裂纹轴向动态扩展正是沿着管材961391945108169z75c、/J裂纹扩展阻力最小的方向扩展。为了使动态裂纹扩展得到止裂除了提高管道对轴向裂纹的扩展阻力使管材中韧性最小方向的韧性提高外还可20910312751122153202c,/JS3 S2 SI起裂管以通过降低管材环向的裂纹扩展阻力使裂纹扩展后迅速产生偏离轴向的Ⅰ-Ⅲ型环向裂纹而使79155156c,/J轴向裂纹得以止裂即通过降低管材环向韧性可以提高管道的止裂能力。145189399125129cy/J80△管EB-1,未压平s1起裂管N▲管EB-1,压平o管EB-3,未压平50·管E-3,压平341260241203208206324cy/J千-+A轧制方向钢管材质:S52直径4064mm,壁厚79m306090120150图8日本高强度输送管委员会试验的取样方向与轧制方向夹角a/()裂纹扩展与止裂示意图81图9CVN值与轧制方向的关系9裂纹沿轴向扩展的速度是变化的裂纹的动基于目前管线中广泛采用的控轧钢各向异性态扩展过程中裂尖的应力状态不同。当裂纹重新的力学特点在焊管本身质量得到保证的前提下,起裂或加速打展时裂纹是沿原有路径的型裂根据以上所分析的输气管线裂纹动态扩展止裂原纹扩展还是沿环向的I-Ⅲ复合型裂纹扩展取理螺旋焊管对裂纹长距离扩展的止裂更为有利。决于裂纹尖端的应力状态和材料不同方向的性对于管线来说由管道内压引起的最大主应力为能。在管道的工作压力、温度及几何构形相同情环向应力亦即管道内压最大驱动开裂的方向是况下要产生环向I-Ⅲ复合型裂纹起裂可以通沿轴向的。对于直缝管来说最大驱动开裂的方过两个途径实现增大轴向裂纹扩展阻力(即增向与最小断裂阻力方向是一致的因而断裂必定加该方向材料的韧性和降低管材环向裂纹扩展是沿轴向进行的。然而对于螺旋管来说二者并阻力(即降低该方向材料的韧性〉。不一致断裂沿何方向扩展与管材CWN值的各向目前天然气长输管线通常采用的高性能控轧异性的大小和螺旋角度有关。螺旋管断裂扩展的钢其不同方向的力学性能差异较大存在严重的方向取决于该螺旋管管材CWN值的各向异性的各向异性现象。除了厚度方向与板面内的力学性大小。根据螺旋焊缝钢管管材的CW各向异性能存在非常大的差异之外在板面内随着与轧制程度不同对于沿轴向具有同样长度2c)预制裂方向的不同其力学性能也有明显的差异。图9纹中国煤化工扩展有不同情况。第为由 Kramer及 Wilkowski试验所得的管线钢CVNCNMHG向及沿轧制方向的值与轧制方向的关系取样方向与轧制方向呈CN值差不多即各向异性较小,此时各方向断90时即试样裂纹扩展方向与轧制方向一致时,裂阻力相差不多断裂将沿轴向扩展裂纹的动态其CWN值最低取样方向与轧制方向呈0°时,即扩展与直缝焊管相同如图10a厮所示第二种情试样裂纹扩展方向与轧制方向垂直时其CWN值况当各向异性超过一定程度后裂纹起裂时经过第28卷第6期杨政等天然气输送管线的止裂机理研究较短的轴向扩展后由于逸出气体对破裂后管壁轴向裂纹止裂。因此在高压长输管线的止裂的压力作用迅速产生沿轧制方向的裂纹扩展从题中应充分考虑管材的各向异性对裂纹止裂的有而使管道减压速度大于裂纹扩展速度的轴向分利影响从而降低管线的造价。量轴向动态裂纹止裂如图1∝(b)所示。螺旋焊管成型角一般为40°~66°管材韧性最低方向与参考文献轴向裂纹扩展方向不一致,管道轴向不是管材韧性最低的方向。因此输气管道轴向动态裂纹扩[IJ家华.西气东输工程J]焊管20003(3)21展过程中更易产生偏离轴向的I-Ⅲ型环向裂[2 ]Mannucci G Demofont G, Harris d et al. Fracture Prop纹而使轴向裂纹止裂。erties of API X100 Gas Pipeline Steels[ DB/OLtp/www.europipe.com/docs/ep-tp-_39-01_en.pdi2004-12-05稳定不[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)低各向异性Pressure Vessels And Piping 1997 701): 1-25[4逹李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展蜇J]焊管20042x(6)1-11[5李鹤林.石油管工程M]北京:石油工业岀版社204[6]小川庄茁.高韧性管道动态断裂的气体减压模式(b)各向异性和材料韧性研究[J]力学学报.200335(5)“15图10螺旋管断裂扩展的典型情况”[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结论Ol].http:/www.europipe.com/docs/ep-tp-_51-02en. pdf 2004[8 HIroyuki MAKINo Takahiri KUBo Toyoaki SHIWAKU(1)管管道轴向裂纹动态扩展的止裂性能et al. Prediction for Crack Propagation and Arrest of Shear与管材抵抗轴向裂纹扩展的能力有关但在天然Fracture in Ultra-High Pressure Natural Gas Pipelines[C] Proceedings of the Special Party of ASME Lang气输送管道中管道阻止轴向裂纹扩展的韧性对fang 2000动态裂纹的止裂并不起决定的作用其止裂的关[9家华油气管道断裂力学分析M北京石油工业键是裂纹动态扩展过程中产生偏向环向的I-Ⅲ型裂纹扩展。增大轴向裂纹扩展阻力和降低管材作者简介杨政1964-)男副教授博士(地址)陕西环向裂纹扩展阻力均可提高管道的止裂性能省西安市电子二路32号(电话)09-82671716E-mail)(2)螺旋焊管管材韧性最低方向与轴向裂纹ang@ D mail. xitu.ch.cme扩展方向不一致,管道轴向不是管材韧性最低的收稿日期2005-06-06方向。输气管道轴向动态裂纹扩展过程中,螺旋修改稿收稿日期2005焊管更易产生偏离轴向的Ⅰ-Ⅲ型环向裂纹而使编辑黄勇公告管端护圈》和《塑料坡口防护带》是我公司常建新总经理的ˆ利号分别为ZI03254552.5和ZL03255041.3《钢塑复合结构管中国煤化工建新的实用新型发明于2005年8月24日被中华人民共和国知识产权局受理申请号为2CNMHG国首创其新颖性、创造性和实用性被用户一致认可产品在国内外重大油气管道项目得到广之的米用但是最伺些家违反中华人民共和国专利法的规定侵害专利权人的专有权益未经许可仿冒生产为此特发此公告制止其违法行为以维护法律的尊严和自身的利益。公告人荆州市聚英工贸有限公司企业法律顾问熊昌元2005年11月10日