油氣管道斷裂擴展及止裂技術研究

王 旭

（中國石油大學（北京） 北京 102249）

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油氣管道斷裂擴展及止裂技術研究

王 旭

（中國石油大學（北京） 北京 102249）

摘 要：近年來我國油氣管道發展迅猛，同時也伴隨著種種隱患，其中斷裂及裂紋擴展問題復雜而多變，引起的后果也尤為嚴重。簡述了油氣管道斷裂的內在原因及外在影響因素，介紹了在管道斷裂方面的國內的研究現狀及進展，也闡述了在裂紋擴展以及斷裂控制領域國內的研究成果。為管道斷裂、裂紋擴展及止裂問題的進一步研究，提供了參考。

關 鍵 詞：管道斷裂；裂紋擴展；止裂

油氣管道從制造到施工以及工作運行中，很難免會產生一些裂紋。究其原因：

（1）材料本身：母材分層夾渣。

（2）管道加工：焊接焊縫。

（3）施工過程：表面機械損傷，現場焊接。

（4）運行過程：腐蝕、裂紋擴展。

管道上的裂紋隨著時間和環境變化擴展，當擴展到一定情況，達到起裂條件時，擴展則會失穩，速度猛增（取決于材料的性質和溫度），破壞巨大。這種破壞在輸氣管道中尤為明顯，在管內高壓氣體作用下，管道一旦破裂將擴展綿延數百米甚至上千米。

鑒于運送流體易燃易爆的特點，油氣管道一旦破裂泄露，后果必然是災難性的。因此，研究管道破裂的過程，特別是對輸氣管道破裂后的止裂研究，對于管道的長期安全運行、以及減少管道斷裂、降低破裂損失具有重要意義。

1 管道斷裂研究

1.1 脆性斷裂研究

脆性斷裂表現為以材料表面、內部的缺陷或微裂紋為源，在較低的應力水平下（通常不 超過材料的屈服強度），在無塑性變形或只有微小塑性變形的情況下裂紋急速擴展。在出現宏觀裂紋后裂紋的擴展速度迅速上升到某個極限速度，大約可達聲波在該材料中傳播速度的三分之一。在多晶體材料中，斷裂是沿著各個晶體內部的解理面產生的.但由于材料中各個晶體及解理面的方向是變化的，因而斷裂表面在外觀上呈現粒狀。脆性斷裂有時主要沿晶界產生，因而稱為晶間斷裂。脆性斷口較平齊，且與正應力相垂直，斷口附近的截面，在厚度 上的收縮很小，一般不超過3%。斷口上常有人字紋或放射花紋。由于脆性斷裂前很難發現預兆，斷裂時又容易產生很多碎片，是一種非常危險的突發事故，危害較大。

在油氣管道運營以來，發生過很多管道脆性斷裂事故，世界管道史上最早也是最嚴重的一次脆性斷裂事故發生在1960年，在美國Trans-Western直徑為762 mm、壁厚為9.5 mm的管線上進行氣壓試驗時發生，破壞時環向應力僅為0.63（SMYS），而斷裂總長為13.36 km。此事故以后引起全世界的關注，并促進了斷裂力學及斷裂動力學的發展。我國最大的一次輸油管道脆性斷裂事故發生于1974年冬，在大慶至鐵嶺輸油管道復線進行氣壓試驗時，爆破時環向應力接近SMYS，裂縫長度約2 km。另據四川石油管理局統計，四川氣田1970-1990年間共發生100余次輸氣管道斷裂事故，大都是焊縫處脆性開裂［1］。

脆性斷裂的產生是由于在承壓狀態下，管道工作溫度低于鋼管材料的韌脆轉變溫度（FATr）所致。后來隨著材料加工工藝的提高，管材韌性的加強，脆性斷裂大量減少，與此同時延性斷裂事故卻不斷增加。

1.2 延性斷裂研究

延性斷裂是在較大的塑性變形之后發生的斷裂。它是由于裂紋的緩慢擴展而造成的，而 這種裂紋擴展又起源于孔穴的形成和合并。延性斷裂的斷口表面外觀特征為無光澤的纖維 狀。大多數多晶體金屬的拉伸試驗的延性斷裂有三個明顯的階段。首先，試樣開始出現局部 “頸縮”，并在“頸縮”區域產生小的分散的空穴，接著這些小空穴不斷增加和擴大并聚合成微裂紋，裂紋方向一般垂直于拉應力方向。最后，裂紋沿剪切面擴展到試件表面，剪切面方向與拉伸軸線近似成 45°。這三個階段就構成了通常所見的典型的“杯錐”失效斷面。

由于管徑增加，輸送壓力提高，，引發了一系列延性斷裂事故，促使了這一領域研究工作的開展，研究的重點是延性斷裂的啟裂、擴展和止裂。由于鋼管制造、施工等方面的原因，以及可能存在的腐蝕坑、應力腐蝕、腐蝕疲勞裂紋，大大增加了啟裂（Initiationofafretuer）的可能性。因此，在研究材料韌性與臨界裂紋尺寸相關性的同時，人們更加重視裂紋失穩擴展的防止。

1.2.1 斷裂力學方法發展

白永強［2］等通過對油氣管道內表面半橢圓型裂紋的斷裂分析評估，一種在原基礎上改進過J積分估算公式得以提出。并通過使用三維FE計算得到了J積分的全塑性解，其變量分別為徑厚比、裂紋深度與長度比、裂紋深度與管壁厚比等。同時給出了精確度較高的、基于GE/EPRI的沿裂紋尖端的積分預測，為進一步研究油氣管道斷裂開拓了路徑。

基于瞬變電磁技術，埋地管道的壁厚及缺陷得以檢測，從而使埋地管道斷裂的應力和可靠性分析成為可能。黃瓊［3］結合斷裂力學、權函數和極限分析的理論和方法，得到了新的計算應力強度因子的表達式，使得埋地管道的斷裂失效分析更為簡單實用。

目前管道大范圍屈服斷裂評估方法中，現有的斷裂力學方法具有很大的局限性。出于此種考慮，韓克江［4］等介紹了現階段管道斷裂評估的研究進展，并從四個方面：基于應變的斷裂評估和失效評估圖、基于約束校正的斷裂韌性測試和基于斷裂力學的雙參數等方面加以詳細論述。SENT試件是基于約束校正的管道斷裂韌性測試的主要方法之一，韓克江［4］等重點闡述了基于此的斷裂評估的研究現狀及存在的一些主要問題。展示了基于應變的斷裂評估方法的前人工作成果，并主要從驅動力方程和CTOD失效準則兩個方面給予了詳細分析。其論述內容及研究成果為管道大范圍屈服斷裂評估奠定了基礎。

對于存在環向表面裂紋的海洋石油管道，李杰［5］利用權函數的方法研究其斷裂可靠性問題，得到了能夠滿足工程精度要求的計算應力強度因子的表達式。使用極限分析方法建立起了帶裂紋的海洋石油管道斷裂可靠性評估模型，并且基于此模型導出了斷裂失效概率和可靠度的計算公式。計算結果表明：應力強度因子與裂紋長度和深度呈正相關；當彎矩不變，其他項為隨機變量時，帶裂紋的海洋管道的可靠度與裂紋深度和長度、管道壁厚和半徑無關，與軸力均值呈負相關。

金偉良［6］等詳細介紹了基于FAD的斷裂評估技術，利用此技術可得到管道任何位置的極限裂紋長度，包括不同受力狀態下的含焊接裂紋管道；然后闡述了英國規范BS7910：1999應用于海底石油管道斷裂評估方法，通過基于此斷裂評估的疲勞評估方法，可得到管道在復雜動荷載作用下的疲勞壽命。這些方法對我國海底石油管道的發展及斷裂疲勞評估提供了一定的參考。

1.2.2 沖擊實驗法

利用夏比沖擊實驗，吳金輝［7］等分析了管道材料在受到沖擊載荷作用時，斷裂過程中力的變化、沖擊吸收能量和宏觀斷口關系。利用引進剪切面積這一技術指標來描述材料抵抗裂紋擴展的能力。最后指出管道材料韌性完整評價必須從夏比沖擊功和剪切面積兩個方面入手。

為研究X80大口徑三通的低溫斷裂韌性和尺寸效應，王海濤［8］等通過夏比沖擊、落錘撕裂和三點彎曲試驗結合失效評估圖技術進行了探索。結果表明：對低溫夏比沖擊實驗，X80大口徑三通具有良好表現，相反低溫落錘撕裂，表現較差；基于三點彎曲試驗計算的X80三通失效評估點均在處于安全區域。

曹歡［9］通過對不同方法測試的管道材料斷裂韌性參數的綜合比較，結合已有的研究成果，總結出測試高鋼級管道鋼斷裂韌性的最佳參數是J積分和CTOD。通過對X80管道材料在低溫（0 ℃）和常溫（26℃）的實驗，證明了CTOD和J積分參數在高鋼級管道鋼中的適用性。同時還研究了X8O管道斷裂韌性，以及CTOD和J積分在管線軸向和橫向這兩個方向上的的J-CTOD關系，為下一步高鋼級管道的斷裂韌性研究提供了參考。

1.2.3 模型法及綜合方法

鄭洪龍［10］基于油氣管道脆性斷裂和彈塑性斷裂事故的分析，在雙判據法的基礎上，提出了改進雙判據法和和雙系數法用來解決確定性問題。而后又引入了模糊概率斷裂分析方法來解決不確定性問題。

通過建立新的輸氣管道減壓波模型，宮敬等［11］研究了發生相變時的減壓波特性，并計算分析了氣質、壓力、溫度等對減壓波傳播的影響，得到結論：減壓波特性隨著重組分的增加、壓力的增大和溫度的降低將由氣體單相轉變為氣液兩相。實驗驗證了該模型的準確性，為進一步研究輸氣管道斷裂過程中的減壓波特性奠定了基礎。

基于斷裂力學原理，盛燕［12］建立起了大管徑含穿透裂紋管道的有限元模型，在靜載荷作用下得到了應力強度因子，繪制了應力強度因子和不同斷裂參數之間的變化規律圖，從而得到了修正因子。在平面裂紋尖端應力強度因子公式的基礎上，進一步的修正得到了管道裂紋尖端應力強度因子的修正系數F的表達式，從而為大管徑油氣管道的完整性評估提供了理論支撐。

魏東吼［13］等總結了數值計算、斷裂力學、雙判據及簡化的工程評定等對含缺陷油氣管道斷裂失效的評定方法，重點分析介紹了利用FAD即失效評定圖的管道完整性評定方法。并且提出了基于FAD的油氣管道含周向裂紋的完整性評定的主要方法，為保障油氣管道的安全運行提供了技術保障。

2 裂紋擴展及控制研究

2.1 實驗法

為研究油氣管道中裂紋擴展初始階段曲折角度的影響因素，馬有理等［14］選取了退火預裂紋，其應力比R=-1，分別取β=30°、45°、60°的傾斜角度，詳細考察了裂紋初始階段在混合型應力作用下的擴展路線。結合靜載荷作用下測量的裂紋擴展路線分布。實驗研究結果表明：開口和滑移方向上的位移量的理論值在傾斜角度較小時大于測量值。基于最大切線方向的應力準則，傾斜角度較大的疲勞裂紋可利用理論計算的位移量來準確預測，而傾斜角度較小的疲勞裂紋的擴展路線的預測，只能通過實驗測得的位移量來實現。

基于國產X70，X80管線鋼的夏比沖擊試驗（CVN）和單拉伸試驗，陳福來［15］等利用實驗測得的管線鋼CVN和力學性能指標，計算并分析了對管道斷裂擴展速度有影響的諸如流變應力、CVN沖擊功、徑厚比以及管體外圍環境等因素的影響，對工程實際應用有一定的指導意義。結合減壓波速和裂紋擴展速度，基于速度準則陳福來［19］編譯了程序，為實際工程的止裂設計提供了支持。

2.2 有限元模擬

通過有限元模擬埋地管道在跨越斷層條件下管道的裂紋擴展情況，王鵬［16］分析了管道壁厚、管徑、傾角和表面摩擦等因素對管道裂紋擴展的影響。記錄了不同情況下裂紋的擴展軌跡、裂紋長度和深度以及靜載荷作用下J積分，為研究工程實際管道的裂紋擴展過程提供了參照和理論依據。

基于有限元軟件ABAQUS建立起的內表面裂紋管道的三維線彈性有限元模型，祁濤等［17］利用Paris公式分析裂紋的擴展，得到了在不同載荷作用下，管道內表面非中心裂紋的擴展規律和路徑，以及裂紋偏移角度對裂紋擴展的影響。其計算結果與中心裂紋的分析結果比較表明：基于LBB分析，裂紋的偏心對泄露裂紋計算存在影響，而裂紋穩定性分析中則與裂紋是否偏心無關。

不排除輸氣管道裂紋擴展過程中的衰減情況，白永強［18］利用建立的有限元模型實現了裂紋動態擴展模擬。分別計算分析了影響動態裂紋擴展的兩項參數：能量釋放率和裂紋尖端張開角。進一步分析得到了結論：管道內壓與管道裂紋擴展正相關；管道壁厚對裂紋擴展有較大影響；止裂長度與裂紋尖端張開角正相關；最大裂紋速度越大，止裂難度越高。

關于輸氣管道裂紋動態擴展中的流體結構斷裂相互作用問題的力學模型，帥建［19］等將其歸納為一維梁模型、圓柱殼模型和有限元模型3種。并通過研究表明：對高韌性鋼，可通過確定裂紋尖端張開角來改進現有的止裂韌性預測方法，從而避免傳統的CVN和DWTT方法產生的與斷裂無關能量損失；為控制動態延性斷裂裂紋擴展造成的危害，止裂韌性值和裂紋擴展長度均有預測必要；可通過采用適應裂尖運動情況的重新劃分網格技術來改進現有的有限元模擬方法。

輸氣管道的止裂可通過加強管道自身韌性或者外加止裂構件來實現，陳福來［20］等詳細介紹了不同止裂方法和構件的止裂原理以及相關的優缺點。重點介紹并評析了關于裂紋尖端張開角的幾個代表性預測模型，比較全面闡述了基于最低夏比沖擊功的止裂計算公式以及近年來在該領域取得的研究成果。指明了未來管材的發展趨勢，為管道設計研究以及管道安全維護提供了依據。

輸氣管道斷裂控制中一個比較關鍵的問題是管道斷裂過程中減壓波速的計算。非等熵效應在小管徑中較為明顯，所以陳福來［21］建立等熵理論模型和非等熵理論模型來分別計算求解減壓波速。并且編譯了基于三特征線法求解氣體減壓波的程序，分析了各種因素對管道斷裂過程中氣體減壓波的影響，指出氣體減壓波速與起始壓力、起始溫度、介質和管道直徑均有關聯。

3 結語及展望

2011年西氣東輸二線工程全線貫通，這是國內首次在天然氣管道上大規模采用X80鋼，標志著我國已全面突破了X80鋼板、鋼管的相關技術標準。該工程累計使用X80鋼267萬t，相當于西二線之前全球使用X80鋼20年的總和。

西氣東輸的工程實踐表明我國在高鋼級管道施工、天然氣高壓輸送領域達到了國際一流水平。但在高鋼級管道的基礎研究領域，我們仍舊是亦步亦趨，一直在追趕世界的腳步［22］。

隨著X100鋼管的進一步研發，對止裂技術提出了更高的要求，研究高鋼級管道斷裂止裂技術的迫切性與必要性進一步顯現。

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The Technology Status of Fracture Propagation and Crack Arrest of Pipelines

WANG Xv
（China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract:In recent years， the pipelines of oil and gas developed rapidly， but a variety of risks were accompanied. Fracture and crack propagation in pipelines are complex and changeable， which can cause particularly serious consequences. In this paper， underlying causes and outside factors to cause the oil and gas pipeline ruptures were described， the research status and progress in terms of pipeline ruptures were also introduced， and the research achievements in the field of crack propagation and fracture control were summarized.

Key words:Pipeline fracture；Crack propagation；Crack arrest

中圖分類號：TE 832

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0332-04

收稿日期：2015-10-21

作者簡介：王旭（1991-），男，河南南陽人，在讀碩士研究生，2014年畢業于中國石油大學（北京）過程裝備與控制工程專業，目前就讀于中國石油大學（北京）石油與天然氣工程專業碩士，從事于油氣儲運安全方面的研究。E-mail：wangx_1991@126.com。