确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置及方法与流程

本发明属于天然气输送管道技术领域，涉及一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法。

背景技术：

天然气是一种清洁能源，也是一种易燃、易爆的危险介质，高压天然气管道一旦长程开裂将造成灾巨大难和损失，因此必须保证管道的安全性。为了提高管道运输的经济性，天然气管道的发展趋势是高压、大口径、大壁厚、大输量，采用的钢管也随之向高钢级(高强度级别)方向发展。我国天然气管道用管线钢管近年来发展非常快，x70级别钢管在西气东输一线成功应用，西气东输二线管道工程大规模采用x80级别的钢管。目前我国正在积极研发x90、x100等高级别管线钢的工程应用问题。

天然气输送管道钢级、管径、设计系数的提高以及高压富气输送工艺的采用，大大提高了运营效益，同时给管道安全也提出了更高的要求。输气管道一旦开裂，管内高压气体并不能立刻排空，而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向两远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度，裂纹尖端就会持续的保持高应力状态，裂纹也会持续高速扩展，容易导致输气管道延性裂纹的长程扩展问题。钢管dwtt断口的剪切面积是评判高钢级管道中高速扩展的裂纹能否止裂的关键技术指标。然而对于高钢级高韧性管线钢而言，dwtt试样常出现异常断口，不能准确反映实际全尺寸管道裂纹扩展过程中的断口形貌，因此需要发展一种简单易行的全尺寸爆破试验技术，来确定高钢级管线钢(x80及以上)不同服役温度下的剪切面积，以及是否能够止裂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置及方法，通过模拟试验来确定高钢级管线钢止裂所需的最小剪切面积。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，包括：试验钢管、线性聚能切割器、试验管沟、低液体温槽、空气压缩机/氮气增压装置和数据采集系统；所述的试验钢管两端焊接有堵头，试验钢管上包裹保温材料；线性聚能切割器安装试验钢管上表面中间位置；试验钢管放置于试验管沟中间；低液体温槽放置于试验管沟上用于给试验钢管注入低温液体；空气压缩机/氮气增压装置与试验钢管连接用于给试验钢管注入气体并增压；数据采集系统安装在试验钢管上，数据采集系统包括计时线、温度测量装置、压力测量装置、应变片和图像获取装置。

作为本发明的进一步改进，低液体温槽的体积大于钢管体积，低液体温槽为敞口加盖的结构形式，低液体温槽外周包裹保温材料；低液体温槽内设置有温度变送器对低液体温槽温度进行监控。

作为本发明的进一步改进，线性聚能切割器安装在试验钢管顶部中心位置；线性聚能切割器引入的贯穿型裂纹平行于钢管轴向；线性聚能切割器采用中间起爆的方式进行起爆；线性聚能切割器产生的射流刚好切穿一个钢管壁厚。

作为本发明的进一步改进，所述的计时线为纱包线，计时线安装在试验钢管的上半个象限，在试验钢管的上半周折回粘结。

作为本发明的进一步改进，所述的温度测量装置包括用于测量试验钢管内部低温液体温度的第一内部温度传感器，用于测量试验钢管内部气体温度的第二内部温度传感器，及用于测量钢管顶部裂纹扩展路径上的管壁温度的贴片式表面温度传感器。

一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法，包括以下步骤：

1)试验钢管两端焊接堵头；

2)将试验钢管放置于试验管沟中间，试验钢管的直焊缝置于试验管沟底部；

3)对试验钢管安装数据采集系统；

4)利用空气压缩机对试验钢管进行试压测试；

5)对试验钢管及其辅助管路进行保温材料包裹，线性聚能切割器安装位置预留开口；

6)将低液体温槽放置于试验管沟上；

7)在低液体温槽中首先注入酒精，随后注入液氮进行调温，当低液体温槽中液体温度低于试验温度-10℃～-30℃时停止注氮，得到低温溶液；

8)利用低液体温槽与试验钢管的高度差将混合后的低温溶液注入试验钢管；

9)低温液体注入后，在试验钢管上表面中间位置安装线性聚能切割器；

10)对试验钢管上表面覆盖干冰，并对试验钢管外表面进行隔热层包裹；

11)通过空气压缩机将试验钢管增压至实际管线服役压力，并保持；

12)通过温度传感器监控管体上表面的温度，当钢管表面温度达到试验温度±℃时，起爆线性聚能切割器用于引入初始裂纹；

13)试验全过程通过数据采集系统对温度、压力、断裂速度和应变数据进行采集；

14)试验后对断口进行图像获取，并对剪切面积进行评判；

15)试验后，建立断裂速度与剪切面积的关系，判断止裂所需最小剪切面积。

作为本发明的进一步改进，步骤12)中，引入的初始裂纹长度应在400mm以上。

作为本发明的进一步改进，步骤8)中，首先向试验钢管内注入70％～85％低温液体用以控制试验温度，然后步骤11)注入15％～30％的空气/气化后的低温氮气，并加压至试验压力，用以提供裂纹扩展驱动力。

作为本发明的进一步改进，步骤12)中，在试验钢管的韧脆转变温度附近选择至少三个试验温度点进行试验，用以确定止裂所需最小剪切面积。

作为本发明的进一步改进，步骤14)中，当裂纹扩展速度低于100m/s时，确定裂纹能够止裂，此时对应的剪切面积为该温度下输气钢管止裂所需的最小剪切面积。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，通过设置将线性聚能切割器安装试验钢管上表面中间位置，注入低温液体和空气提供足够驱动力来进行仿真模拟，进而通过数据采集系统获取裂纹扩展过程中的各项数据，以最终得到不同温度下钢管止裂所需的最小断口剪切面积。该装置结构简单，组装方便，能够实现全尺寸爆破试验，确定高钢级管线钢止裂所需的最小剪切面积。

本发明通过在管体中注入液氮和酒精，在钢管整个上表面覆盖干冰，并对整根钢管外表面进行隔热层包裹来实现控制低温试验温度；通过在管体中注入15％～30％空气来为裂纹远距离扩展提供足够驱动力；通过在管体顶部安装线性聚能切割器来引入初始裂纹；同过在管体上安装计时线来测量裂纹扩展速度；通过安装温度传感器来测量裂纹扩展路径上不同区域以及钢管内部的温度。该试验方法简单可行，为实际生产提供准确的数据来源。

附图说明

图1本发明的实验装置结构示意图；

图2本发明的钢管放置位置；

图3本发明的线性聚能切割器位置；

图4本发明的计时线安装方式；

图5本发明的计时线安装位置；

图6本发明的应变花安装位置；

图7本发明的温度变送器安装位置；

图8为本发明的一实施例x80钢管全尺寸实验结果对比图。

其中，1-试验钢管，2-直焊缝，3-线性聚能切割器，4-计时线，5-第一内部温度传感器(测量钢管内部气体温度)，6-第二内部温度传感器(测量钢管内部液体温度)，7-表面温度传感器，8-，空气压缩机/氮气加压装置，9-低温液体槽，10-摄像机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法，原理为：通过在管体中注入液氮和酒精，在钢管整个上表面覆盖干冰，并对整根钢管外表面进行隔热层包裹来实现控制低温试验温度；通过在管体中注入15％～30％空气来为裂纹远距离扩展提供足够驱动力；通过在管体顶部安装线性聚能切割器来引入初始裂纹；同过在管体上安装计时线来测量裂纹扩展速度；通过安装温度传感器来测量裂纹扩展路径上不同区域以及钢管内部的温度。

其引入的初始裂纹长度应在400mm以上。输气钢管全尺寸爆破试验用的温度测量装置包括内温测量及表面温度测量温度传感器，内温测量传感器用于测量试验钢管1内部低温液体的温度以及钢管内部气体的温度，外温测量传感器用于测量钢管顶部裂纹扩展路径上的管壁温度。

输气钢管全尺寸爆破试验方法，应首先向试验钢管1内注入70％～85％低温液体用以控制试验温度，然后注入15％～30％的空气/低温氮气并加压至试验压力，用以提供裂纹扩展驱动力。应在试验钢管1的顶端覆盖干冰，用以控制裂纹扩展路径上钢管管壁的温度。应在试验钢管1的韧脆转变温度附近，包括：韧脆转变上平台，韧脆转变区，韧脆转变下平台选择至少3个试验温度点进行试验，用以确定止裂所需最小剪切面积。试验结束后通过对比爆破试验钢管1与dwtt断口剪切面积，对dwtt断口剪切面积评判方法进行修订。通过对比裂纹扩展速度与断口剪切面积，确定止裂所需最小剪切面积。

试验流程具体如下：

(1)试验钢管1两端焊接堵头，并进行无损检测；

(2)将试验钢管1放置于试验管沟中间，试验管沟深度应大于3m，试验钢管1直焊缝2处于钢管底部15°位置，如图2所示；

(3)对试验钢管1进行仪器仪表化，需安装计时线4、内温传感器5和6、贴片式表面温度传感器7、应变片、高速摄像机10等来采集裂纹扩展速度、温度、应变及影像资料；

(4)仪器仪表安装完成后，利用空气压缩机对试验钢管1进行试压，试压压力为设计的试验压力，保压2小时，然后将压力泄压至零；

(5)试压结束后对试验钢管1及辅助管路进行保温材料包裹，线性聚能切割器3安装位置预留开口；

(6)将低液体温槽9放置于管沟上，低液体温槽9需能耐受-70℃的低温；

(7)在低液体温槽9中首先注入酒精，随后注入液氮进行调温，调温过程中通过温度传感器随时监控温度变化。当低液体温槽9中液体温度低于试验温度-10℃～-30℃时停止注氮；

(8)打开阀门，利用低液体温槽9与试验钢管1的高度差将混合后的低温溶液注入试验钢管1，低温液体体积占钢管容积的70％～85％；

(9)低温液体注入后，在试验钢管1上表面中间位置安装线性聚能切割器3(切割器3长度400mm，用于引入初始裂纹)；

(10)在聚能切割器3安装完成后，对钢管整个上表面覆盖干冰，并对整根钢管外表面进行隔热层包裹；

(11)通过空气压缩机/气化后的低温氮气将试验钢管1增压至实际管线服役压力，并保持；

(12)通过温度传感器监控管体上表面的温度，当钢管表面温度达到试验温度±1℃温度范围时，起爆线性聚能切割器，利用线性聚能切割器引入初始裂纹；

(13)试验全过程通过数据采集系统对温度、压力、断裂速度、应变数据进行采集；

(14)试验后对断口进行照相，并对剪切面积进行评判。试验结束后通过对比爆破试验钢管1与dwtt断口剪切面积，对dwtt断口剪切面积评判方法进行修订。

(15)对比裂纹扩展速度与断口剪切面积，当裂纹扩展速度低于100m/s时认为裂纹可以止裂，此时对应的剪切面积为该温度下输气钢管止裂所需的最小剪切面积。

如图1-图8所述，本发明还提供了一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，包括：试验钢管1、线性聚能切割器3、试验管沟、低液体温槽9和数据采集系统；

所述的试验钢管1两端焊接有堵头，试验钢管1上包裹保温材料；线性聚能切割器3安装试验钢管1上表面中间位置；试验钢管1放置于试验管沟中间；低液体温槽9放置于试验管沟上用于给试验钢管1注入低温液体；空气压缩机/液氮气化增压装置与试验钢管1连接用于给试验钢管1增压；数据采集系统安装在试验钢管1上，数据采集系统包括计时线4、温度测量装置、应变片和摄像机10。其中，数据采集系统安装要求及位置如下：

(1)低液体温槽9及连接管路要求

1)低液体温槽9的体积约为1.5倍钢管体积；

2)低液体温槽9及辅助管路需耐受-70℃低温；

3)低液体温槽9为敞口加盖的结构形式；

4)低液体温槽9外需要包裹保温材料；

5)通过温度变送器对低液体温槽9温度进行监控；

6)低液体温槽9可吊装，可以多次使用。

(2)线性聚能切割器

1)在试验钢管1中间0点位置安装线性聚能切割器，如图3所示；

2)线性聚能切割器长度大于400mm；

3)线性聚能切割器引入的贯穿型裂纹应平行于钢管轴向；

4)线性聚能切割器采用中间起爆的方式进行起爆；

5)线性聚能切割器产生的射流应刚好切穿一个钢管壁厚

(3)压力传感器

1)采用压阻式压力变送器进行压力测试；

2)在试验钢管1的进气口和出气口位置各安装1个压力变送器。

(4)计时线

1)采用纱包线作为计时线，

2)计时线安装在钢管的上半个象限，在钢管的上半周折回粘结；如图4所示，计时线安装方式示意图。

3)在钢管中心(起裂位置)截面安装3根计时线作为起爆时间的标定线；如图5所示，计时线安装位置；

4)管体其余位置，距离中心线每隔0.5m安装一根计时线。

(5)应变花

采用两个应变花分别采集0°(轴向)，45°，90°(环向)三个方向的应变。

1)应变花的量程应大于50000με；

2)应变花安装位置，如图6所示：

轴向位置：距离钢管中心两侧1m；

环向位置：距离上母线5cm。

(6)温度变送器

温度测量装置，其应包括内温测量及表面温度测量温度传感器，内温测量传感器用于测量试验钢管1内部低温液体的温度，外温测量传感器用于测量钢管顶部裂纹扩展路径上的管壁温度。

1)如图7所示，采用内温变送器2个(▲)，贴片式表面温度变送器25个(·)进行温度测量；

2)两个内温变送器均安装于钢管中心线一侧10cm的环向截面上，一个安装于距离上母线8cm位置，另一个安装于环向270°位置，如图7所示。

3)共需安装25个贴片式表面温度变送器进行钢管表面温度测量。在13个环向截面上安装表面温度变送器(分别为中心线一侧10cm环向截面；中心线两侧80cm环向截面；中心线两侧160cm环向截面；中心线两侧240cm环向截面；中心线两侧320cm环向截面；中心线两侧400cm环向截面；中心线两侧480cm环向截面)；在中心线一侧10cm环向截面安装1个传感器，位于0°位置；在中心线两侧的其余截面安装2个传感器，分别位于0°位置以及距离0°位置8cm的位置，如图7所示。

(7)高速摄像机10

在垂直于钢管中心及平行于钢管中心100m位置各安装一台高速摄像机10进行影像采集。

通过本发明得到了全尺寸输气管道不同服役温度下，裂纹扩展的断口形貌，及断口形貌与裂纹扩展速度的对应关系，测量得到的断口剪切面积可作为确定管道能否止裂的最终判据。

实施例

2014年10月管研院与国外某公司联合进行了多次单管全尺寸爆破试验。试验钢管1外径为1219mm，长度为12m，壁厚为18.4mm，试验压力为12mpa。

通过系列温度(-30℃，-20℃，-10℃)下的单管全尺寸爆破试验，确定了钢管在特定温度下的断裂速度及止裂所需最小剪切面积。如图8所示，x80钢管全尺寸实验结果对比图。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。