模擬缺陷對螺旋埋弧焊管靜水壓爆破試驗的影響

王 洋，王海生，王寅杰，張 勇，陳 方，陳 曦

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658； 2.渤海裝備第一機械廠，河北 青縣 062658）

靜水壓爆破試驗能夠較好地反映焊管整體的力學性能，為焊管服役安全性提供理論依據[1-2]。螺旋埋弧焊管靜水壓爆破試驗是一種破壞性試驗，采用靜水壓注法在密閉的試樣上持續加壓[3]，使焊管發生變形直至爆破 （特殊要求時也可不爆破），通過爆裂位置、壓力－時間曲線、周長－壓力曲線綜合評定焊管的力學性能[4]。

在役焊管，不可避免地會存在各類缺陷，這些缺陷對焊管的安全使用有一定的影響。無論從經濟性還是安全性的角度，進行安全驗證性研究是最好的選擇[5]。本研究通過在某長輸管線用 X70 鋼級 Φ1 067 mm×14.27 mm 螺旋埋弧焊管上預制人工缺陷，進行靜水壓爆破試驗，同時對不同壓力值下焊管管體的周長進行測量，分析試驗中焊管形變規律，從而為確定不同缺陷對管道安全性能所造成的影響提供依據。

1 試驗方案

1.1 試驗焊管和預制缺陷

試樣從同一批次中隨機抽取[6]。本研究中焊管兩端采用橢圓封頭焊接制作，管體拉伸性能實測值為屈服強度535 MPa，抗拉強度630 MPa。在焊管管體及焊縫相應位置預制了不同類型、尺寸的人工缺陷[7]，缺陷類型及尺寸見表1。

表1 焊管預制人工缺陷的類型、位置及尺寸

1.2 水壓試驗方案

試驗方法按照SY/T 5992—2012[8]《輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法》 標準要求，由計算機控制系統通過壓力傳感器采集管內的壓力數據，對信號數據進行處理，繪制出試驗曲線[9]。

按照試驗焊管管體實際屈服強度的95%、100%、105%計算鋼管保壓試驗壓力，分別為13.60 MPa、14.31 MPa、15.03 MPa； 依次進行4 h保壓試驗，之后進行靜水壓爆破試驗[10]，保壓和爆破試驗壓力曲線如圖1 所示。

圖1 焊管保壓和爆破試驗壓力曲線

2 試驗結果

2.1 預制缺陷的變化情況

每次保壓試驗完成后，未發現有明顯的缺陷擴展和局部塑性形變，試驗前及105%保壓試驗后各處預制缺陷形貌如圖2 所示。水壓爆破試驗后，對每處預制缺陷 （位于爆破口上的12#除外）周圍進行超聲波檢測，未發現缺陷周圍有裂紋。

圖2 保壓試驗前后缺陷對比圖

2.2 焊管周長的變化情況

試驗前及每次保壓試驗完成后，分別對不同位置的焊管周長進行測量，結果見表2。由表2 可見，與試驗前原始焊管相比：95%實際屈服強度保壓試驗后，所測量7 個位置中焊管周長最大增加2 mm、最小增加 0 mm、平均增加 0.9 mm； 100%實際屈服強度保壓試驗后，所測量7 個位置中焊管周長最大增加3 mm、最小增加0 mm、平均增加1.3 mm； 105%實際屈服強度保壓試驗后，所測量的7 個位置中焊管周長最大增加4 mm、最小增加1 mm、平均增加 2.9 mm。可見，試驗壓力越高，焊管周長增加值越大，但最大變形量不超過0.12%。

表2 保壓試驗前后焊管周長的測量結果

3 焊管承壓能力、爆破位置及尺寸

圖3 水壓爆破焊管和爆破口局部形貌

焊管水壓爆破試驗測試屈服壓力16.18 MPa，最大承壓能力為18.22 MPa，爆破壓力18.11 MPa。試驗焊管起爆點位于12#預制缺陷處，該處缺陷為管體壁厚修磨，深度 2.0 mm （公稱壁厚的 15%），斷口處壁厚最小值[11]為 8.5 mm； 起爆點距焊管西端封頭環縫處距離為4 330 mm，爆破口全長 2 170 mm，軸向長度 1 830 mm，爆破口最大開口245 mm。爆破口沿垂直于焊管軸線方向起裂后，向焊管軸向兩側迅速開裂，西端止裂于管體母材，東端穿過焊縫后止裂于管體母材[12-13]，焊管爆破失效后形貌如圖3所示。

4 結 論

（1）試驗焊管經過 95%、100%、105%實際屈服強度保壓試驗后，13 處預制缺陷未發現明顯的缺陷擴展和局部形變，水壓爆破后對每處預制缺陷 （位于爆破口上的12#除外）周圍進行超聲波檢測，未發現缺陷周圍有裂紋擴展。

（2）試驗焊管經過 95%、100%、105%實際屈服強度計算壓力保壓試驗后，所測量7 個位置與試驗前焊管原始周長相比，最大增加量分別為2 mm、3 mm、4 mm，平均增加量分別為 0.9 mm、1.3 mm、2.9 mm； 試驗壓力越高，焊管周長增加值越大，但最大變形量不超過0.12%。

（3）試驗焊管起爆點位于12#預制缺陷 （壁厚修磨15%）處，試驗焊管最大承受壓力為18.22 MPa，高出標準規定抗拉強度最低值計算壓力 （15.25 MPa）2.97 MPa，高出實際抗拉強度計算壓力 （16.85 MPa）1.37 MPa，有一定的裕量[14]。

（4）通過人工模擬缺陷的X70 螺旋埋弧焊管進行靜水壓爆破試驗，研究了保壓試驗前后缺陷的擴展、形變規律和焊管的承壓能力，為確定不同缺陷對管道安全性能所造成的影響提供了依據[15]。