0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用X80管線鋼失效評估曲線研究

王 珂，羅金恒，楊鋒平

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077)

0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用X80管線鋼失效評估曲線研究

王 珂，羅金恒，楊鋒平

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077)

為了研究西氣東輸三線用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80管線鋼斷裂性能，通過單軸拉伸和斷裂韌性試驗(yàn)建立失效評估曲線和擬合方程，對3種不同屈強(qiáng)比的0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80管線鋼管進(jìn)行了失效評估。結(jié)果表明：與常用X80管材的失效評估曲線不同，選擇3曲線并不是最保守曲線；高、低屈強(qiáng)比鋼管的評估曲線在載荷比大于某一臨界值時發(fā)生分離，高屈強(qiáng)比鋼管的評估曲線在低屈強(qiáng)比鋼管的評估曲線之下；屈強(qiáng)比大于0.9時，安全應(yīng)用范圍迅速減小。

鋼管；X80管線鋼；0.8設(shè)計(jì)系數(shù)； 失效評估曲線； 屈強(qiáng)比

0 前 言

加快天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展是我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和加強(qiáng)節(jié)能減排的重要舉措[1]。如何實(shí)現(xiàn)天然氣高效、經(jīng)濟(jì)、安全的輸送，成為天然氣行業(yè)建設(shè)投資者和運(yùn)營企業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)。在保證輸量和安全可靠性的前提下，提高輸氣管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)成為解決該問題的重要途徑之一[2-5]。

歐美國家20世紀(jì)70年代就開始了提高輸氣管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的研究，把一級地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)提高至0.8，并建成上萬千米管線。我國一級地區(qū)管道的設(shè)計(jì)系數(shù)一直為0.72[6]，近年來在0.8設(shè)計(jì)系數(shù)可行性研究基礎(chǔ)上[7-8]，依托西氣東輸三線，在荒漠無人區(qū)開展0.8設(shè)計(jì)系數(shù)試驗(yàn)段建設(shè)，并為此專門開發(fā)了0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用X80級φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管。從《西氣東輸三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道用X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》[9]可以看出，與西氣東輸二線用X80級φ1 219mm×8.4mm鋼管相比[10]，0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道用X80螺旋縫埋弧焊管沖擊韌性、板頭與板尾性能、靜水壓試驗(yàn)、幾何尺寸和無損檢測等要求均進(jìn)一步提高，特別是沖擊韌性試樣平均值從220J提高到了260J。

為了進(jìn)一步研究西氣東輸三線0.8設(shè)計(jì)系數(shù)用X80管線鋼斷裂性能，完善其含缺陷管道結(jié)構(gòu)完整性評價及安全管理做法，本研究利用CEGB R6-Rev.4標(biāo)準(zhǔn)建立了其失效評估曲線，并分析了屈強(qiáng)比對失效評估曲線的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為3家不同鋼廠板卷生產(chǎn)的西氣東輸三線用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80級φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管。沿管體橫向加工圓棒拉伸試樣，試樣標(biāo)距內(nèi)直徑為10mm，標(biāo)距長為50mm，單軸拉伸試驗(yàn)在UTM5305材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370。0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80級螺旋焊管力學(xué)性能見表1。

表1 0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80螺旋焊管力學(xué)性能

表1中3種材料的鋼管均滿足Q/SY GJX 117標(biāo)準(zhǔn)要求，但材料C屈服強(qiáng)度已達(dá)到了上限值。同時，3種材料鋼管對應(yīng)的屈強(qiáng)比呈現(xiàn)由低到高的順序，有利于分析屈強(qiáng)比對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 試驗(yàn)方法

制備帶預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣尺寸為12mm×24mm×96mm。由于管道材料的各向異性，管道上不同截取方向所得到試樣的CTOD值是不同的，如圖1所示，其中T-L方向試樣的CTOD值最小，所以本試驗(yàn)只截取T-L方向的試樣。在線切割機(jī)上用0.12mm的鉬絲沿寬度方向加工長12mm、寬0.12mm的機(jī)械缺口，并保證切割線所在平面與試樣切割面的垂直角度為90°±5°，試樣尺寸形式如圖2所示。利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制長度2.5mm的疲勞裂紋，用以模擬實(shí)際管線結(jié)構(gòu)中的初始尖銳裂紋。CTOD試驗(yàn)在MTS810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，依據(jù)GB/T 21143—2007《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》[11]，采用單試樣法。

圖1 彎曲試樣取樣方向

圖2 彎曲試樣尺寸

2 試驗(yàn)原理及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)原理

CEGB-R6-Rev.4有3種選擇曲線表達(dá)式。

2.1.1 選擇曲線1

無屈服平臺材料的有屈服平臺材料的Lrmax=1。

式中： Kr—應(yīng)力強(qiáng)度因子；

Lr—載荷比；

σy—屈服強(qiáng)度，MPa；

σu—抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.1.2 選擇曲線2

選擇曲線2被稱為材料特征選擇曲線，建立在已知材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，其方程為

式中：εref—參考應(yīng)變，是在單軸拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上真實(shí)應(yīng)力等于時的真實(shí)應(yīng)變；

E—彈性模量，取2.1×105MPa。

首先通過單軸拉伸試驗(yàn)得到管線鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后根據(jù)(3)式和(4)式計(jì)算分別獲得其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

式中：σ0—工程應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)力值，MPa；

ε—工程應(yīng)力應(yīng)變曲線中σ0對應(yīng)的應(yīng)變。

2.1.3 選擇曲線3

選擇曲線3是特定材料和構(gòu)件形狀的失效評定曲線，要根據(jù)材料特性和裂紋體幾何形狀計(jì)算彈塑性J積分值及其彈性分量Je值，來確定曲線的縱坐標(biāo)，以得到精確的失效評定曲線，J積分值計(jì)算可以采用有限元方法或者EPRI規(guī)程中利用圖表手冊的工程方法。其曲線定義式為

式中：P—施加載荷，MPa；

P0—塑性失穩(wěn)極限載荷，MPa。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照標(biāo)準(zhǔn)CEGB R6-Rev.4中提供的3種選擇建立3種材料鋼管的失效評估圖，如圖3所示，分別對選擇2和選擇3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Boltzmann曲線擬合，結(jié)果見式(7)～式(12)。

圖3 3種不同材料鋼管的3級失效評估曲線對比

2.2.1 A材料

選擇2曲線

選擇3曲線

式中，Lrmax=1.10。

2.2.2 B材料

選擇2曲線

選擇3曲線

式中，Lrmax=1.05。

2.2.3 C材料

選擇2曲線

選擇3曲線

式中，Lrmax=1.04。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，3種西氣東輸三線用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的X80級φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管母材失效評估基本具有相同的趨勢，選擇3曲線在選擇1和選擇2曲線之上(對于C材料Lr＜0.95載荷狀態(tài)下)，這與常規(guī)材料的選擇3曲線規(guī)律相同，但與文獻(xiàn)[12-13]所給出我國常用的X80管材的選擇3曲線較為保守的結(jié)果是有所差異的。

圖3中，A材料和B材料3種選擇曲線趨勢一致(見圖3(a)和圖3(b))，Lr＜0.75時選擇3曲線最高，選擇1曲線和選擇2曲線依次降低；而0.75＜Lr＜Lrmax(即截止線)時選擇3曲線最高，選擇2曲線和選擇1曲線依次降低。對于C材料，在Lr＜0.6時與A材料、B材料在Lr＜0.75時趨勢一致；0.75＜Lr＜0.95時與A材料、B材料在0.75＜Lr＜Lrmax時趨勢一致；在0.95＜Lr＜1.04時，選擇1曲線最高，選擇2曲線和選擇3曲線趨于重合。

由表1可知，3種材料鋼管的屈強(qiáng)比分別為0.83，0.90和0.92，由上述3種鋼管失效評估曲線的差異表明，屈強(qiáng)比的大小會對0.8設(shè)計(jì)用X80螺旋鋼管的失效安全范圍造成影響。將3種材料鋼管選擇2曲線和選擇3曲線繪制在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對比分析，如圖4所示。

圖4 3種試驗(yàn)材料的失效評估曲線

由圖4(a)可知，屈強(qiáng)比在0.83和0.90時鋼管的選擇3曲線基本重合；在低載荷狀態(tài)下(Lr較小)，3種屈強(qiáng)比鋼管評估曲線的安全區(qū)域基本相同，但當(dāng)Lr＞0.6時，屈強(qiáng)比為0.92的鋼管(C材料)的選擇3曲線迅速降低，當(dāng)Lr=0.95時低于選擇1通用失效評估曲線。

由圖4(b)可知，隨著屈強(qiáng)比升高，選擇2曲線逐漸降低，當(dāng)屈強(qiáng)比超過0.90時，鋼管的選擇2曲線下降幅度較大。

由圖4可知，隨著屈強(qiáng)比的升高，0.8設(shè)計(jì)用X80螺旋埋弧鋼管失效評估曲線逐漸降低，安全區(qū)域減小，這和文獻(xiàn)[13]給出的規(guī)律相同；當(dāng)屈強(qiáng)比不高于0.9時，選擇2曲線和選擇3曲線下降幅度較小，安全區(qū)域變化不大，此時選擇1曲線最為保守，但屈強(qiáng)比超過0.9之后，選擇2曲線和選擇3曲線降幅迅速增大，Lr＞0.95載荷比時選擇1曲線也將不再保守。

5 結(jié) 語

本研究建立了3種不同屈強(qiáng)比的西氣東輸三線用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)X80鋼φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管的失效評估選擇2曲線和選擇3曲線，并與選擇1曲線和常用X80管材對比，結(jié)果表明：

(1)選擇3曲線并不是最保守曲線，這與常用X80管材的失效評估曲線不同；在低載荷狀態(tài)下(載荷比Lr較小)，選擇2曲線最保守，在高載荷狀態(tài)下，選擇1曲線趨于保守(屈強(qiáng)比不高于0.9)，但同時受到屈強(qiáng)比的影響。

(2)在低載荷狀態(tài)下，屈強(qiáng)比對試驗(yàn)用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)鋼管的失效評估曲線基本無影響，當(dāng)載荷比較大時，高屈強(qiáng)比鋼管的評估曲線在低屈強(qiáng)比鋼管的評估曲線之下，其在高載荷狀態(tài)下的安全應(yīng)用范圍減小，特別是屈強(qiáng)比＞0.9時，安全應(yīng)用范圍迅速減小。

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Study on Failure Assessment Curves(FAC)of X80 Pipeline Steel with 0.8 Design Coefficient

WANG Ke,LUO Jinheng,YANG Fengping
(Key Laboratory for Mechanical and Environmental Behaviors of Oil Tubular Goods,CNPC Tubular Goods Research Institue,Xi’an 710077,China)

In order to study the fracture performance of X80 pipeline steel used for the Third West-to-East Gas Pipeline Project with 0.8 design coefficient,it set FAC and fitted equations through uniaxial elongation and fracture toughness test,and conducted FAC for 3 different yield ratio X80 pipeline steel with 0.8 design coefficient.The results indicated that the third curve is different from FAC commonly used for X80 pipeline steel,it is not the most conservative curve.The FAC of high and low yield ratio separate when the load ratio is higher than a critical value,the FAC of high yield ratio steel pipe is below that of low yield ratio steel pipe;when the yield ratio is higher than 0.9,the security application range shorten rapidly.

steel pipe;X80 pipeline steel;0.8 design coefficient;failure assessment curves(FAC);yield ratio

TE973.1

A

1001-3938(2015)03-0020-04

王珂(1985—)，男，碩士，現(xiàn)主要從事油氣管道和壓力容器安全評價及完整性工作。

2014-10-20

黃蔚莉