X80級(jí)鋼管水壓沖擊試驗(yàn)

Duan Qingquan a,*, Zhang Hong a, Yan Feng a, Deng Changyi b

a Research Center of Oil & Gas Safety Engineering Technology, China University of Petroleum, Beijing, 102249,China

b Shashi Steel Pipe Works, China Petrochemical Group Corp., Jingzhou City, Hubei Province 434001, China

摘要

為了評(píng)價(jià) X80鋼管在我國(guó)高壓油氣管道中的應(yīng)用前景，進(jìn)行了靜水壓爆破試驗(yàn)。測(cè)試了 v101618.4 mm 直縫埋弧焊鋼管在5種壓力水平下的變形和屈服強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于1.1 SMYS 時(shí)，管道正常變形為彈性均勻變形，最大應(yīng)變小于0.3% 。討論了管道壓力-體積曲線的坡度分布。

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Ⅰ.引言

隨著人們對(duì)油氣需求的不斷增加，高壓油氣管道得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于管道使用者來(lái)說(shuō)，這顯然是非常有吸引力的，因?yàn)樗梢栽黾硬僮鲏毫Γ僮鲏毫Ρ仨毜陀诠艿拦こ讨泄艿赖脑囼?yàn)壓力。測(cè)試應(yīng)該幾乎限制在水平約90% 的規(guī)定屈服強(qiáng)度(SMYS)的管道材料在許多國(guó)家。很少有管道測(cè)試到100% SMYS 的水平。在管道工程中進(jìn)行靜水壓爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證管道的完整性。新鋼種或新焊接方法的質(zhì)量要求和使用。大直徑、高強(qiáng)度、高壓管道的眾多制作方法的采購(gòu)人員也需要進(jìn)行試驗(yàn)。在鋼管工程中，通常可以通過(guò)試驗(yàn)獲得最大壓力和爆破壓力等強(qiáng)度。研究了拉茲管道的全尺寸斷裂現(xiàn)象(Azevedo & Sinatora，2004; Chen & sutherland，2006)、超壓傳動(dòng)(Ellis & Gdaniec，2001)、沖擊(Palmer，Touhey，Holder，Anderson，& Booth 2006)和腐蝕(Hardie，Charles，& Lopes，2006; Netto，ferr，& Estefen，2005)。盡管對(duì)輸氣管道的設(shè)計(jì)具有重要意義，但對(duì)管道變形的研究報(bào)道很少。本研究旨在探討 X80鋼管在靜水壓力作用下的變形與強(qiáng)度。

Ⅱ.實(shí)驗(yàn)

采用 JCOE 工藝生產(chǎn)的 X80鋼管，外徑1016 mm，壁厚18.4 mm，縱長(zhǎng)10 m。試樣由液壓泵組成的噴油試劑盒加壓。采用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量了變形量。在測(cè)試過(guò)程中，壓力傳感器、應(yīng)變片和流量傳感器的信號(hào)通過(guò)基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。應(yīng)變片安裝在管道上，如圖1,2 #~15 # 母材，16 # ~19 # 焊接。結(jié)果表明: 18 # 鋼中存在孔洞缺陷，19 # 鋼中存在線性缺陷，18 # 鋼中存在孔洞缺陷。

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì) ASTM E-2001規(guī)定，在鋼板軋制方向?yàn)?l 的拉伸軸上，對(duì) X80管材進(jìn)行了單軸所用材料試驗(yàn)。試樣的幾何特性如表1所示。母體金屬的化學(xué)成分為碳0.040% ,錳1.81% ，硅0.027% ，磷0.01% ，硫0.0005%。

負(fù)載模擬加壓的管道靜水壓力，這是進(jìn)行了五個(gè)步驟。首先，管道在壓力約70% SMYS 的條件下放置約24小時(shí)，以核實(shí)沒(méi)有發(fā)生泄漏之前，被解壓為零。其次，壓力增加到90% 左右。接下來(lái)的壓力是105% 的 SMYS 和110% 的 SMYS。最后，管道被不間斷地加壓直到爆裂。

Ⅲ.結(jié)果和討論

三條試樣在單軸拉伸測(cè)試和數(shù)據(jù)列于表1。試樣的楊氏模量和泊松比分別約為200gpa 和0.3。屈服強(qiáng)度比 SMYS 提高約12.8% 。X80的 SMYS 為552mpa。

圖2-5顯示了管道在四種循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)最大壓力低于1.1 SMYS 時(shí)，管道變形為均勻彈性變形。在加載過(guò)程中，應(yīng)變隨壓力線性增大而增大。當(dāng)管道降壓到零時(shí)，沒(méi)有殘余變形。焊縫應(yīng)變比母材低20-30% 。缺陷對(duì)焊縫變形沒(méi)有影響。在塑性變形發(fā)生后，短暫的平臺(tái)期和隨后的硬化遵循管道的壓力-應(yīng)變行為。在破壞發(fā)生之前，位于15號(hào)應(yīng)變計(jì)附近的管道最薄弱部位的變形迅速增大，形成局部隆起。初始斷裂點(diǎn)位于母材中。裂紋擴(kuò)展程度與管道軸線平行，并在母體金屬中止裂，如圖6所示。

在水壓試驗(yàn)中，壓力-體積曲線(p-v 曲線)的壓力、體積或割線斜率可作為控制參數(shù)。P-v 曲線與 X80管線鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似。該管道沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，但在超過(guò)比例限制后承受大應(yīng)變。作為控制參數(shù)的壓力和容積的最大值很難確定。圖中線彈性階段的割線斜率是合適的控制參數(shù)，對(duì)管材屈服極限敏感。由于新線的斜率，斜率下降了幾個(gè)百分點(diǎn)。新直線與 p-v 圖的交點(diǎn)可以是停止水壓試驗(yàn)的數(shù)值。

x80管道的 p-v 曲線如圖7和圖8所示。水平軸表示注入流量與管道體積之比。當(dāng)水可以受到影響時(shí)，這個(gè)比等于體積的變量。管材的屈服強(qiáng)度(Ps 值為26.33 MPa)為母材的116% ，相當(dāng)于128% 的 SMYS。爆破壓力約為27.40 MPa。壓力-容積曲線是線性擬合的，可以表示為

Y =13.83X-1.87

（Y 型壓力，x 型體積變化）

斜率偏移量在0.5-5% 范圍內(nèi)的新曲線可以與壓力-容積曲線相交。交叉點(diǎn)表示水壓試驗(yàn)的最大壓力，并列在表2中。斜坡偏移小于4% 的管道尚未進(jìn)入明顯的屈服階段。

Ⅳ.結(jié)論

本研究對(duì) X80鋼管進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，以測(cè)試管材的變形和屈服強(qiáng)度。結(jié)果表明，即使最大試驗(yàn)壓力為110% ，達(dá)到規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的管材也不會(huì)發(fā)生明顯變形。當(dāng)壓力-容積圖的坡度偏移量收集到控制變量時(shí)，1% 到2% 的范圍不會(huì)損壞管道。

本文來(lái)源：精川材料檢測(cè)