X80管線鋼管延性斷裂控制技術探討

富崇悅 托 博 牛志勇 岳 陽 喬 峰

（1.國家管網集團山東天然氣管道有限公司，山東 濟南 250000；2.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.國家管網集團西南管道有限責任公司蘭州輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730060；5.中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

0 引言

油氣勘探向極地、沙漠、海洋拓展，惡劣環境給新建管道建設提出更高要求。大口徑、高壓力、高鋼級成為長輸管道發展方向。因管材鋼級和輸送壓力提高，管道脆性斷裂事故基本消除，主要預防延性斷裂事故。輸氣管道斷裂會造成災難后果，1960年美國TransWstern輸氣管道破裂，鋼級X56、管徑762mm，破裂長度達13km。1989年前蘇聯烏拉爾山隧道輸氣管道泄漏引發爆炸燒毀兩列火車，死傷800多人。輸氣管道延性斷裂一直是研究熱點問題[1]。夏比V型沖擊功CVN是管材斷裂韌性重要評價指標。以西氣東輸二線為例，闡述了根據Battelle雙曲線模型、國外管道爆破試驗數據庫和經濟安全原則，確定X80管線鋼管斷裂韌性指標。總結研究路線成果可為我國新建高鋼級、大口徑、高壓力管道工程提供借鑒。

1 典型管道斷裂控制模型

鋼管制造、施工和服役過程中產生缺陷及機械損傷，增加了裂紋萌生概率。天然氣減壓波速度約400m/s，遠低于原油減壓波速度約1500m/s，裂紋擴展速度低于介質減壓波速度時裂紋停止擴展。輸油管道主要是起裂控制，輸氣管道應考慮起裂控制和止裂控制。國外針對輸氣管道延性斷裂開展深入研究，管材止裂韌性與管道環向應力、管徑、壁厚等因素有關，代表性管材止裂韌性預測Battelle公式，如式（1）所示。其他機構提出的止裂韌性公式源于Battelle公式，英國天然氣公司考慮了裂紋擴展初始速度，如式（2）所示；CSM考慮管道埋深，如式（3）所示。

式中σH環應力，MPa；R管徑，m；t壁厚，m；v0裂紋擴展初始速度，m/s；d埋深，m。

2 高鋼級管道斷裂控制模型

研究表明Battelle公式及推薦值（CVN＞94J）不適用于X80及以上高鋼級管道。高鋼級管道屈服強度和設計壓力值較高，按照Battelle公式計算止裂韌性值結果偏于危險。日本鋼鐵協會提供X70 UOE（管徑1219mm、壁厚18.3mm、設計壓力12MPa）爆破試驗數據，在10m和20m內止裂所需CVN分別是180J和130J，按照BMI公式計算管材CVN僅為119J。

Wilkowski提出通過預制裂紋的DWT、壓制缺口的DWT及夏比V型缺口的能量關系，確定高鋼級管材止裂韌性值，統計分析大量爆破試驗數據提出修正公式：

Leis基于大量全尺寸爆破試驗數據提出高鋼級管道止裂韌性修正公式，計算指數由2.04提高至2.1得到止裂韌性上限值。Leis修正公式不適用輸送介質為富氣和出現斷口分離情形。

式中CVNArrest韌性大于94J管材韌性值；CVNBMI按照Battelle公式計算的管材韌性值。

日本鋼鐵協會提出避免高鋼級管道斷口分離對止裂韌性預測的影響，采用Gasdecom氣體減壓波曲線-DWT能量雙曲線模型，得到管材韌性CVN與DWT斷裂擴展能量DP關系。

高鋼級管道可能出現斷口分離問題，CVN轉變曲線出現上升平臺行為（CVP/CV100>1.25，CVP是沖擊轉變曲線上平臺能；CV100是開始出現100%剪切面積時的沖擊能量），采用BMI雙曲線法計算止裂韌性預測值不能保證管道安全。

定義裂紋尖端張開角（Crack Tip Opening Angle，CTOA）。臨界狀態下管材最大延性裂紋擴展驅動力等于材料延性裂紋擴展阻力，即管道裂紋延性擴展中最大裂紋尖端展角CTOAmax等于材料臨界裂紋張開角CTOAc，若CTOAmax≥CTOAc裂紋擴展；CTOAmax＜CTOAc裂紋止裂。CTOAmax可用經驗公式或彈塑性有限元法計算。CTOAc表征材料止裂韌性，通過測試缺口深度為a1=10mm和a2=36mm的DWT試樣吸收能及斷口剪切面積得到。

式中Et是DWT試驗裂紋剪切擴展能量；A缺口凈面積；W試樣寬度；σod材料屈服應力。

3 X80管線鋼管斷裂控制指標

Battelle雙曲線模型適用范圍是鋼級≤X80、設計壓力≤12MPa、徑厚比滿足40＜D/t＜115以及輸送介質為單相或富氣，如管材止裂韌性預測值大于100J，應進行修正：根據規格相近管道爆破試驗結果進行修正，該方法考慮上升平臺因素，比較可靠；統計實際管材斷口分離情況，這種針對性修正有一定局限性；考慮數據離散性，計算結果采用安全系數1.4，這是一種數學意義處理方式。以西氣東輸二線為例，參考國外X80鋼管氣體爆破試驗數據庫上，提出2個修正系數，修正系數1.71包括所有裂紋擴展點，較為安全，要求管材止裂韌性值較高；修正系數1.43未包括日本住友公司氣體爆破試驗，該試驗止裂沖擊韌性值很高，可能與管材存在斷口分離有關。考慮安全可靠和經濟可行，取修正系數為1.71，確定的管材止裂韌性值為220J（單個最小值170J）。西氣東輸二線X80管材止裂韌性指標如表1所示。

表1 西氣東輸二線X80管材止裂韌性指標

4 全尺寸鋼管氣體爆破試驗

全尺寸爆破試驗是確定管道止裂韌性可靠方法。做法是試驗段將鋼管按照韌性由高到低排列，鋼管在低韌性管段起裂，在高韌性管段止裂，發生止裂鋼管韌性即為管材止裂韌性值。新建管道設計參數超出爆破試驗數據庫范圍，應進行氣體爆破試驗。國外已開展的管材氣體爆破試驗數據庫統計如表2所示。西氣東輸二線管徑1219mm、設計壓力10/12MPa，鋼管等級、設計壓力、設計系數、壁厚、管徑等參數，國外管材氣體爆破試驗數據庫已涵蓋，但管材類型X80螺旋埋弧焊管未涵蓋。為以后輸氣管道工程提供依據，開展X80管線鋼管全尺寸爆破試驗，驗證螺旋縫埋弧焊管止裂能力，試驗參數為鋼級X80，設計壓力12MPa，西側螺旋縫埋弧焊管，東側直縫埋弧焊管；管徑1219mm，螺旋縫埋弧焊管壁厚18.4mm，直縫埋弧焊管壁厚19.1mm。試驗結果：管材止裂韌性預測值215J，螺旋縫埋弧焊管在198J止裂；直縫埋弧焊管裂紋穿過179J，在第二根焊管233J止裂，管材止裂韌性預測值偏于安全。

5 結語

“十四五”期間，我國高鋼級管道仍將快速發展，應持續開展天然氣管道斷裂控制技術研究，為新建管道建設提供技術支持。高鋼級管道根據設計參數，使用Battelle公式計算結果進行修正。輸氣管道運行過程中應參照設計參數，監控管輸天然氣組分、運行壓力和溫度，避免因設計參數和實際運行參數相差較大，影響管道安全可靠性。