X80螺旋埋弧焊接鋼管靜水壓爆破試驗研究

羅華權(quán)，楊力能，張 楠，陳磊磊（．中國石油集團　石油管工程技術(shù)研究院，西安70077；．中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司　第一機械廠，河北　青縣06658；．中國石化中原油田　采油一廠，河南　濮陽45700）

X80螺旋埋弧焊接鋼管靜水壓爆破試驗研究

羅華權(quán)1，楊力能1，張 楠2，陳磊磊3
（1．中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2．中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北青縣062658；3．中國石化中原油田采油一廠，河南濮陽457001）①

靜水壓爆破試驗是對螺旋埋弧焊接鋼管承載能力的驗證。介紹了靜水壓爆破試驗的原理，分析了鋼管承壓應(yīng)力和起爆位置裂口方向、試驗裝置等。以?1 219 m m×22 m m X80螺旋埋弧焊接鋼管為例，進行靜水壓及爆破試驗。結(jié)果表明：鋼管內(nèi)壓19．5 M Pa、保壓600 s，未發(fā)現(xiàn)焊縫和管體泄漏；測試最高壓力28．12 M Pa大于理論計算值22．56 M Pa，鋼管靜水壓穩(wěn)壓測試和最高壓力滿足Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》水壓試驗要求。爆破口位于管體母材，爆破口為韌性斷裂，爆破開口方向與理論分析一致。

X80螺旋埋弧焊接鋼管；靜水壓；爆破試驗

大口徑、高鋼級螺旋埋弧焊接鋼管（SAWH焊接）在正式生產(chǎn)之前，制造商都首先制定制造工藝規(guī)范（MPS）文件并進行設(shè)計驗證試驗，對試制鋼管進行靜水壓爆破試驗［1］。其目的是驗證鋼管的承載能力，判斷其達(dá)到設(shè)計壓力后的安全性。

1 試驗方法

1．1 水壓爆破試驗原理

通過高壓泵向密閉的試驗鋼管內(nèi)持續(xù)注水，試驗鋼管內(nèi)的壓力持續(xù)上升，鋼管壓力升到一定的值，鋼管產(chǎn)生變形，直至爆破。運用一定的方法測定鋼管承壓過程中的變形與壓力的關(guān)系，測試分析爆破口的起爆和擴展情況。

1．2 鋼管承壓應(yīng)力和起爆位置裂口方向分析

爆破鋼管中的靜水壓力既產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，也引起軸向應(yīng)力［2］。按照圓柱薄殼無彎矩理論，可以忽略徑向應(yīng)力。由切向力的平衡條件可以確定爆破管的環(huán)向應(yīng)力（如圖1所示）。選取單位長度管道，假設(shè)管道由水平面分開，則內(nèi)壓（p）作用在分開的管道上的垂直合力為pd（d為管道內(nèi)徑），而在管壁上作用環(huán)向應(yīng)力σb，管壁截面的面積為t×1，由切向力的平衡條件得：

式中：p為靜水內(nèi)壓力，M Pa；d管道內(nèi)徑，m m；t管道壁厚，m m；σb環(huán)向應(yīng)力，M Pa。

圖1 薄壁管道環(huán)向應(yīng)力的平衡

式中：A管道橫截面積，m m2；D管道外徑，m m；σa軸向應(yīng)力，M Pa。

圖2 薄壁管道軸向應(yīng)力的平衡

由式（4）得：

由式（5）和式（2）得：

環(huán)向應(yīng)力大于2倍的軸向應(yīng)力，影響承壓的主要是因素是環(huán)向應(yīng)力，因此鋼管的承壓能力是指鋼管的環(huán)向承壓能力。鋼管水壓爆破時，由于環(huán)向應(yīng)力較大，爆破失效時，首先是環(huán)向應(yīng)力達(dá)到爆破應(yīng)力，管道縱向起爆后被撕裂，爆破口應(yīng)為縱向。

1．3 水壓爆破試驗裝置

X80螺旋埋弧焊接鋼管水壓爆破的試驗裝置由壓力表、高壓試驗泵、連接管線、計算機控制系統(tǒng)、壓力傳感器、靜水壓爆破管組成，如圖3所示。壓力表可以顯示爆破管內(nèi)的實時壓力值，高壓試驗泵的進水口為常壓水，通過高壓泵后，產(chǎn)生一定壓力的高壓水。計算機控制系統(tǒng)可以通過壓力傳感器采集爆破管內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，通過計算機處理顯示壓力時間曲線等，便于數(shù)據(jù)分析。

圖3 靜水壓及爆破試驗裝置

爆破管的兩端焊接有2個封頭，封頭和爆破管是通過對焊連接。封頭材料需要一定的強度和韌性，爆破時，爆破點不能在封頭和對接焊縫上，如果這樣，爆破試驗就算失敗。因此需要保證封頭與爆破管的對接焊縫的質(zhì)量，對缺陷進行檢測，以排除焊縫缺陷。

水壓爆破試驗場地選在沒有人員行走或機動車行走的地方［3］，試驗場地一般為地面下3～5 m的爆破坑。為了保證試驗安全，爆破坑四周壁用一定厚度的鋼板緊貼，或用一定厚度的水泥墻面。爆破坑內(nèi)能夠方便放置爆破管和連接管線，通常放在固定支架上或有導(dǎo)軌的小車上。

2 爆破壓力計算和試驗

本次試驗采用某廠生產(chǎn)的?1 219 m m×22 m m X80螺旋埋弧焊接鋼管進行水壓爆破試驗，主要是為了測試鋼管的屈服壓力、最高壓力和爆破壓力。試驗標(biāo)準(zhǔn)參照Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m ×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》［4］。

1） 對螺旋埋弧焊接鋼管管體和焊縫進行了化學(xué)成分分析，化學(xué)成分分析結(jié)果如表1。鋼管管體化學(xué)成分分析結(jié)果符合Q／S YGJX 130—2014 《O D1 219 m m×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》。

表1 螺旋埋弧焊鋼管管體和焊縫化學(xué)成分　wb%

2） 螺旋埋弧焊接鋼管拉伸性能試驗。對管體和焊縫分別取樣進行拉伸性能試驗，試驗結(jié)果如表2。

表2 螺旋埋弧焊接鋼管拉伸性能試驗結(jié)果

3） 靜水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m×22 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》，該標(biāo)準(zhǔn)中要求靜水壓試驗的穩(wěn)壓時間至少應(yīng)保持15 s。試驗過程中整個焊縫或管體無泄漏，試驗后目視無形狀的變化和管壁鼓起。

試驗壓力按式（7）的規(guī)定計算，環(huán)向應(yīng)力的數(shù)值應(yīng)為鋼管規(guī)定最小屈服強度（Rt0．5）的97%。試驗保壓時的壓力波動范圍應(yīng)控制在0～0．5M Pa。同一規(guī)格的鋼管應(yīng)抽取一根鋼管進行靜水壓爆破試驗，實際爆破壓力值不應(yīng)低于按公稱尺寸和母材抗拉強度最小值計算得出的理論爆破壓力值。

式中：σb為環(huán)向應(yīng)力，MPa，等于鋼管規(guī)定最小屈服強度的97%；t為規(guī)定壁厚，mm；D為規(guī)定外徑，mm。

標(biāo)準(zhǔn)要求靜水壓測試的穩(wěn)壓壓力為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，穩(wěn)壓壓力為19．5 M Pa，保持時間至少為15 s，整個焊縫和管體無泄漏，方為合格。爆破試驗的最小壓力為

當(dāng)屈服強度和抗拉強度取實測值時，計算管體開始屈服時的壓力、管體和焊縫所承受的最高壓力值。將實測值帶入式（7），可以計算出管體屈服壓力為

管體爆破試驗壓力為

計算結(jié)果表明，試驗過程中，螺旋埋弧焊接鋼管在壓力達(dá)到23．61 M Pa時，鋼管將發(fā)生屈服變形，壓力達(dá)到27．43M Pa時，鋼管可能爆破。如果爆破壓力≥22．56MPa，鋼管設(shè)計合理。

4） 水壓爆破試驗前的準(zhǔn)備工作。包括加工和焊接爆破封頭，焊接進、出水孔及其接頭，連接管線、安裝壓力傳感器。鋼管爆破前形貌如圖4所示。儀器和設(shè)備連接好后，進行高壓試驗泵和計算機控制系統(tǒng)調(diào)試。試驗前，先將鋼管中注滿水，排凈空氣，然后往鋼管中注水加壓。

焊接接頭爆破試驗壓力為

圖4 鋼管水壓爆破前形貌

5） 試驗過程。包括注水、加壓、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)整理、生成曲線等，水壓爆破時拉上警戒線，防止無關(guān)人員進入水壓爆破場地。

3 試驗結(jié)果

3．1 壓力測試結(jié)果

通過計算機數(shù)據(jù)采集、整理，得出屈服壓力pt0．5 為23．96 M Pa，最高壓力pm為28．12MPa，爆破壓力pk為27．56MPa，靜水壓及爆破試驗壓力時間曲線如圖5所示。

圖5 靜水壓及爆破試驗壓力時間曲線

3．2 鋼管水壓爆破過程

在注水加壓過程中，在試驗壓力達(dá)到23．96 M Pa時，鋼管膨脹均勻；隨著壓力的增加，鋼管管體周長明顯增大，當(dāng)試驗壓力達(dá)到28．12 M Pa時，距入水口封頭（東端）3．93 m處的管體出現(xiàn)明顯的膨脹突起，隨著注水加壓的進行，突起變形加劇，鋼管在此處爆破。

3．3 爆破口的位置

爆破口中心位置距入水口封頭（東端）3．93 m（爆破口到焊縫的垂直距離為140 m m），爆破口全長2．65 m，沿鋼管軸向長度2．15 m，張開最大寬度為430 m m，爆破口形狀如圖6所示。爆破口處周長由3．83m膨脹到3．985m，絕對膨脹值為155 mm，壁厚減薄到11．1 m m。

圖6 爆破口形狀

3．4 爆破口起裂及擴展方向

起爆點位于距入水口封頭（東端）3．93 m的管體母材處（距焊縫垂直距離為140 m m），爆破口沿垂直于鋼管軸線方向起裂后，向鋼管軸向兩側(cè)迅速開裂，西端均止裂于管體母材，東端穿過焊縫后止裂于管體母材（如圖6所示）。

3．5 設(shè)計驗證結(jié)果

鋼管在19．5 MPa時，開始對鋼管進行保壓，保壓時間為600 s，未發(fā)現(xiàn)焊縫和管體泄漏，滿足Q／S Y GJX 130—2014《O D1 219 m m×22 m m X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》水壓試驗要求。測試的屈服壓力23．96 M Pa，和實測值計算的屈服壓力23． 61MPa相差0．35 MPa；測試最高壓力28．12M Pa，和實測值計算的焊縫最高壓力27．43MPa相差0．69MPa，大于理論計算值22．56 MPa，因此該鋼管的設(shè)計滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從爆破口的形貌來看，爆破口縱向開裂，與理論計算分析結(jié)論一致。

4 結(jié)論

1） 鋼管在19．5 MPa時，開始對鋼管進行保壓，保壓時間為600 s，未發(fā)現(xiàn)焊縫和管體泄漏；測試最高壓力28．12 MPa大于理論計算值22．56 MPa，滿足Q／SYGJX 130—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

2） 試驗管爆破時的壓力為27．56 MPa，爆口位于管體母材，爆破口為韌性斷裂，爆破開口方向與理論分析一致。

［1］ 李舒梅，和育英．長輸管道用鋼制彎管靜水壓爆破試驗研究［J］．石油礦場機械，2008，37（12）：56．

［2］ 帥健．于桂杰．管道及儲罐強度設(shè)計［D］．北京：石油工業(yè)出版社，2006．

［3］ 劉洪飛．螺旋縫焊管靜水壓爆破試驗分析［J］．鋼管，2011，40（6）：60．

［4］ Q／S YGJX 130—2014，OD1219 mm×22 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件［S］．

Experiment of Hydrostatic Burst Test on X80 Spirai Sub merged Arc Weided Steei Pipe

LUOH uaquan1，Y A N G Lineng1，ZHANG Nan2，CHEN Leilei3
（1．Tubular Goods Research Institute，CNPC，Xi’an710077，China；2．1st Machineru Works，CNP C Bohai Equip ment M anufacturing Co．，Ltd．，Qingxian062658，China；3．N o．1Oil Production Plant，Zhonguuan Oilfield Com panu，SI N O P E C，Puuang457001，China）

H ydrostatic burst test is the design verification testing of carrying capability on spiral sub merged arc welded steel pipe．T he principle of hydrostatic burst test，analysis of steel tube bearing stress and the initiation position of gap direction and testing device etc．a(chǎn)re introduced in this paper．Based on the exa m ple of ?1 219 m m×22 m m X80 spiral sub merged arc welded pipe，the hydrostatic pressure and the blasting test have been done for the pipe．When steel pipe was at 19．5 M Pa，the pipe began to and the holding time was 10 min．T he test results show that the weld and pipe body leakage had not been found after holding pressure．The supreme test pressure w hich was 28．12 M Pa was larger than the theoretical maxim u m pressure minim u m value of 22．56 M Pa．H ydrostatic pressure testing and the highest pressure meet Q／S Y GJX 130 2014《O D1 219 m m×22 m m X80 spiral sub merged arc welded pipe technology conditions》requirements of hydro test，and blasting port was at the pipe body of parent metal w hich was ductile fracture，and the blasting opening direction is consistent with the theoretical analysis．

X80 spiral sub merged arc welded pipe；hydrostatic pressure；burst test

T E973

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．011

1001 3482（2015）06 0047 04

①2014 11 24

羅華權(quán)（1983 ），男，四川達(dá)州人，工程師，碩士，主要從事石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗及研究工作。