焊管靜水壓試驗相關問題的探討

蘇 琦，秦小虎，王少華

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008）

焊管靜水壓試驗相關問題的探討

蘇 琦，秦小虎，王少華

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008）

介紹了焊管靜水壓試驗采用的徑向密封和端面密封兩種密封形式以及壓力計算公式。針對焊管不同的使用條件，對標準規定壓力與理論壓力之間的差異進行對比分析，提出了焊管靜水壓試驗密封系數及通用壓力計算公式，并對采用不同壓力計算公式計算的鋼管水壓試驗壓力值進行了對比。研究結果表明，標準給出的壓力計算公式比較保守，計算的試驗壓力相對較低；無論采用端面密封還是徑向密封方式，利用本研究提出的密封系數及通用壓力計算公式，可以方便地確定鋼管水壓試驗的壓力值。

焊接鋼管；靜水壓試驗；環向應力系數；試驗壓力；密封系數

鋼管靜水壓試驗作為焊管生產過程中最重要的檢測手段，已成為制造工藝流程中必不可少的檢驗項目之一，對提高產品出廠質量和使用安全性至關重要。在重要的鋼管生產標準和規范中，都對靜水壓試驗做出了明確規定。

鋼管靜水壓試驗主要有3個優點：①可以將更多大尺寸缺陷擴展至臨界尺寸，從而被暴露而返修或清除，把問題解決在出廠之前；②在殘存的小缺陷尖端處造成局部塑性變形引起鈍化，降低缺陷的臨界擴展率，卸壓后在缺陷尖端區域周圍引起局部殘余壓縮應力，對缺陷的擴展起到抑制作用并提高含裂紋體的抗斷裂能力；③可以消除更多引起管道斷裂的有危害的成型和焊接殘余應力[1]。

根據不同的試驗壓力和鋼管尺寸等因素，目前鋼管靜水壓試驗的端部密封主要采用徑向密封和端面密封兩種形式。

1 徑向密封條件下的鋼管靜水壓試驗

徑向密封是將裝在試壓頭上的徑向密封圈深入鋼管內部，通過內部加壓膨脹以實現密封圈與鋼管內壁的接觸，從而達到管口密封效果的端部密封形式。

1.1 標準規定試驗壓力計算公式

在API SPEC 5L標準和GB/T 9711中，規定徑向密封情況下鋼管靜水壓試驗壓力公式[2-3]為

式中：D—鋼管規定外徑，mm；

t—鋼管規定壁厚，mm；

S—鋼管靜水壓試驗環向應力，S=k1σs，MPa。

因此鋼管靜水試驗壓力計算公式就表示為

式中：k1—標準規定試驗環向應力系數；

σs—標準規定鋼管最小屈服強度，MPa。

1.2 理論試驗壓力計算公式

在徑向密封條件下，根據受力分析，按照最大剪切強度理論，鋼管理論靜水壓試驗計算壓力應該采用

1.3 兩種壓力計算公式的差異

對比公式（2）與公式（3）， 兩者差值為

也就是說，用公式（2）計算的試驗壓力比用公式（3）計算的試驗壓力要低，而且隨著厚徑比的增加，其計算壓力差值按照二次關系增加。壓力降低幅度為

如果要保證計算誤差在5%以內，鋼管厚徑比（t/D）就要小于2.5%。隨著厚徑比的增加，計算誤差也隨之增加。

1.4 鋼管實際環向應力系數

按照上述討論，采用公式（2）計算的試驗壓力試壓時，鋼管環向應力并沒有達到預期的應力，所以環向應力系數也就沒有達到預期的結果，根據推導，鋼管的實際環向應力系數k2與標準給定的環向應力系數k1關系為

從公式（6）可以看出，焊接鋼管靜水壓試驗中，鋼管實際環向應力系數和標準規定環向應力系數與鋼管徑厚比相關，在徑厚比一定的情況下，實際應力系數和標準規定應力系數呈線性關系。

當按照標準給定的壓力計算公式計算壓力時，鋼管環向應力系數并沒有達到要求，如果為了保證鋼管實際環向應力系數達到給定的應力系數，就應該調整給定環向應力系數。

2 端面密封條件下鋼管靜水壓試驗

端面密封是依靠密封材料在管口端面被壓迫產生彈性變形，從而達到管口密封效果的端部密封形式。端面密封以其結構簡單、維護方便、工裝較少的特點，在大直徑鋼管水壓試驗中得到廣泛應用。但是,端面密封適應的壓力較低，一般不超過30 MPa。同時為了保證密封效果，在鋼管兩端必須施加端面密封壓力，從而使鋼管在水壓過程中承受軸向應力，使鋼管水壓過程中的應力狀態比較復雜。

2.1 標準規定試驗壓力計算公式

在端面密封條件下，鋼管靜水壓計算公式分為兩種情況。當試驗壓力較低或試驗應力系數較低時，采用公式（2）計算試驗壓力。當試驗壓力較高或試驗應力系數較高時（k1＞90%），就需要考慮端面密封應力對鋼管水壓試驗造成的影響，避免鋼管進入塑性狀態。

按照第三強度理論，可以推導出鋼管端面密封條件下鋼管靜水壓計算公式[4]為

式中：pR—端面密封液壓缸內油壓，MPa；

AR—端面密封液壓缸橫截面積，mm2；

AP—管壁橫截面積，mm2；

AL—鋼管內徑橫截面面積，mm2。

公式（7）是API標準給出的考慮軸向應力情況下的試驗壓力計算公式。這個公式比較麻煩，除了需要鋼管相關參數外，還需要知道水壓機的相關參數。而且按此式計算時，因為液壓缸內油壓與水壓相關，隨著油壓的變動，水壓也跟著變動，導致同一批鋼管水壓值不一致。

2.2 靜水壓試驗計算公式的統一表達式

鋼管靜水壓試驗是為了檢測鋼管在一定壓力下的承壓能力，鋼管靜水壓試驗只是與鋼管承受的壓力有關，在端面密封情況下，除了考慮鋼管承受的環向壓力外，還需要考慮鋼管的軸向壓力。

假設鋼管承受的壓力為p，鋼管承受的軸向密封壓力與鋼管試驗的壓力相關，假設軸向壓力為mp，按照第三強度理論，鋼管試驗壓力計算公式為

式中：m—密封系數。

從公式（8）可以看出，當采用徑向密封形式時，m=0，公式（8）變成公式（2）的形式，所以徑向密封只是公式（8）的一種特殊形式。

2.3 密封系數m的確定

密封系數m與密封材料的特性、鋼管規格、應力系數及管端質量有關，是一個變量。

標準規定，當應力系數超過0.9時，用公式（7）計算試驗壓力不得低于1.8 tσs/D，按此要求可以得出

則m的取值范圍在0～5D(k-0.9)/9t時，均可滿足標準要求。但是各廠家可能對m取值不一致，導致水壓試驗壓力的不一致，為了避免這種情況的發生，規定m取值統一為5D(k-0.9)/9t的1/2，這樣，既能滿足標準要求，也可以使水壓試驗壓力統一。

這樣鋼管水壓試驗壓力計算公式可統一寫成

由此可以看出，當鋼管規格、材質、應力系數確定后，鋼管的水壓值也就確定，而且符合標準要求。

2.4 理論試驗壓力計算公式

同理，我們可以推算出端面密封條件下鋼管理論水壓計算公式為

3 不同密封條件下鋼管靜水壓試驗壓力的比較

在最小屈服強度和環向應力系數一定的情況下，表1給出了不同壓力計算公式計算的鋼管水壓試驗壓力。從表1可以看出，無論是徑向密封還是端面密封，標準規定的壓力計算公式比較保守，計算出的理論壓力值相對較低。

表1 不同規格鋼管不同公式計算的試驗壓力

4 結論

（1）標準給出的壓力計算公式比較保守，計算的試驗壓力相對較低；

（2）無論采用端面密封還是徑向密封，本研究給出了通用壓力計算公式，計算相對方便；

（3）決定試驗壓力的關鍵是密封系數的選取，在滿足標準要求的情況下，本研究給出了密封系數計算公式；

（4）利用密封系數和通用壓力計算公式，可以方便地確定鋼管水壓試驗壓力，而且壓力是唯一確定的；

（5）按照標準給定的徑向密封條件的壓力計算公式，即使在端面密封條件下計算試驗壓力，也不會導致鋼管實際壓力超過屈服強度。

［1］李必文，陶文輝，殷立洪.鋼管靜水壓試驗端部密封形式的應用探討[J].鋼管，2008，37（2）:61-64.

［2］API SPEC 5L(第45版)， 管線鋼管規范[S].

［3］GB/T 9711—2011，石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管[S].

［4］劉鴻文.材料力學Ⅰ[M].第5版.北京:高等教育出版社，2011.

［5］唐永進.壓力管道應力分析[M].第2版.北京:中國石化出版社,2010.

［6］武占芳，任景輝，薛向庭.鋼管水壓試驗用端面密封材料與密封技術的研究與開發[M].北京:石油工業出版社，1998:164-166.

［7］畢宗岳.端面密封條件下鋼管靜水壓試驗壓力的確定[J].焊管， 2006， 29（1）:62-64.

［8］武憲功.大直徑鋼管在軸向壓力作用下的極限承載能力分析[J].石家莊鐵道大學學報，2010，23（2）:126-129.

［9］劉洪飛.鋼管靜水壓機水壓與油壓的計算[J].焊管,2009， 32（8）:47-54.

［10］金兆光，田華蕊.超高壓油缸活塞密封設計與研究[J].鞍鋼技術， 1997（5）:51-52.

Discussion on Relevant Problems of Welded Pipe Hydrostatic Test

SU Qi,QIN Xiaohu,WANG Shaohua
（Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In this article,it introduced radial sealing,end face sealing and pressure calculating formula in welded steel pipe hydrostatic test.According to different using conditions,the differences between standard pressure and theoretical pressure were contrasted and analyzed.The sealing coefficient,general pressure calculation formulas were put forward,and the steel pipe hydrostatic test pressure values by different pressure calculation formula were compared.The research results showed that the pressure calculation formula from standard is conservative,the test pressure is relatively low;whether use end face sealing or radial sealing,it can conveniently determine steel pipe hydrostatic test pressure value by using the sealing coefficient and general pressure calculation formulas in this study.

welded pipe;hydrostatic test;circumferential stress coefficient;test pressure;seal coefficient

TG115.6

B

1001－3938（2015）10-0042-03

蘇 琦（1956—），男，高級工程師，寶雞石油鋼管有限責任公司副總工程師，長期從事鋼管生產、工藝、設備技術研究及管理工作。

2015-06-04

羅 剛