一種天然氣和石油管道屈服強度的檢測方法

岑曉燕,徐惟誠

(寶山鋼鐵股份有限公司 制造管理部,上海 200941)

鋼管靜水壓爆破試驗能較為全面地反映鋼管實物的力學性能水平，是管線工程中必不可少的一項檢測項目。多個管線鋼管產(chǎn)品標準和技術規(guī)格書都對靜水壓試驗進行了要求和規(guī)定，一般要求靜水壓爆破試驗的實際爆破壓力不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。而筆者所在的試驗室接到一項試驗委托，需用澳大利亞/新西蘭標準AS/NZS 2885.5:2012《管道-氣態(tài)和液態(tài)石油 第5部分：現(xiàn)場壓力測試》[1]進行試驗，并且提供規(guī)定非比例延伸率為0.2%時的強度Rp0.2、規(guī)定總延伸率為0.5%時的強度Rt0.5、爆破點的半斜率屈服強度(1/2斜率屈服強度)和實際斜率，以及應力-應變曲線和壓力-進水量曲線。AS/NZS 2885.5:2012建議經(jīng)過冷擴徑的鋼管采用壓力-進水量曲線的斜率來確定屈服強度，即以壓力-進水量曲線彈性變形期間的斜率的1/2斜率線與壓力-進水量曲線的交點所對應的應力作為屈服強度。由于試驗室的爆破試驗設備是按照SY/T 5992—2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法》[2]設計的，僅限于計算鋼管內(nèi)的壓力值，對于測試屈服強度及斜率計算等內(nèi)容，鑒于現(xiàn)有設備及測試軟件的限制，不能自動獲得。為此，筆者通過試驗探討了利用現(xiàn)有設備獲取實際斜率以及屈服強度的定量求取方法，為試驗設備擴展出屈服強度計算能力提供了技術方案。

1 試驗方法

試樣為X42M鋼級的UOE焊管管段，選用兩種規(guī)格：φ914 mm×12.7 mm(T1、T2號鋼管)、φ914 mm×11.9 mm(T3、T4號鋼管)，其中T1和T3號鋼管為光管，T2和T4號鋼管為涂層管，試樣長度約為5 m。

試樣兩端采用鋼板焊接密封，密封板上還用加強筋焊接固定。試驗前先向試樣中注滿水，排凈空氣，然后往試樣中繼續(xù)注水加壓。借助現(xiàn)有鋼管靜水壓爆破試驗設備進行試驗。由于靜水壓爆破試驗設備未提供求屈服強度的方法，決定采用Excel軟件求取屈服強度。

筆者采用AS/NZS 2885.5:2012的方法計算靜水壓爆破試驗過程中壓力-進水量曲線直線段的斜率，即實際斜率，以及各種屈服強度數(shù)據(jù)。因此，在管段試樣不同位置安裝兩個拉線傳感器，以跟蹤鋼管周長的應變數(shù)據(jù)，即環(huán)向應變數(shù)據(jù)，當應變量達到1%時拆除傳感器，隨后繼續(xù)加壓至試樣破裂。

2 計算方法

2.1 理論斜率的計算方法

AS/NZS 2885.5：2012規(guī)定，加壓過程中，需要對壓力-進水量曲線的實際斜率和按附錄C計算的理論斜率進行比較，差值應小于10%，否則必須停止試驗，并分析原因，直到滿足該規(guī)定。

該次靜水壓爆破試驗屬于非約束性試驗，即周向和縱向均沒有限制變形，因此采用AS/NZS 2885.5：2012附錄C給出的公式計算理論斜率，如下：

(1)

當以水作為試驗介質時，ΔT=0 ℃，Δp=1 kPa，進水量-壓力的斜率Δpfactor可通過下式求取:

(2)

鋼管測試部分的初始壓力p可通過下式求取:

(3)

式中：pleakmin為泄漏時的試驗壓力,取設計壓力的1.1倍,26 038.7 kPa;Zmax為鋼管服役海拔時的最高海拔;Zmin為最低海拔；ρ為水的密度,取1 000 kg·m-3;gc為重力加速率,取9.81 m·s-2。

試驗介質的可壓縮性A可通過下式求取:

(4)

式中：Ttest是試驗過程中的初始溫度。

算出A后即可求出Δpfactor。鋼管加壓體積增加后，壓力-所增加體積曲線的斜率pVslope可由下式計算出:

pVslope=ΔpfactorV0

(5)

式中：Vslope為試驗過程中壓力-進水量呈線性關系時總水量的體積，理論斜率為1/pVslope。

2.2 彈性段實際斜率的計算方法

試樣彈性段實際斜率可以通過試驗過程的進水量和壓力數(shù)據(jù)計算獲得。數(shù)據(jù)擬合可以采用Excel、Matlab、Origin等軟件進行，筆者采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)分析及曲線繪制。用Excel圖表類型中的散點圖繪制成壓力-進水量曲線，并采用Excel將彈性段的數(shù)據(jù)進行擬合，得到直線段的擬合方程，即求得實際斜率，具體案例見圖1。圖1為光管T1壓力-進水量曲線的壓力-進水量擬合曲線，光管T1壓力-進水量曲線的實際斜率為0.432 6。

圖1 光管T1的壓力-進水量擬合曲線Fig.1 Fitting curve of pressure-water inflow of uncoated pipe T1

2.3 屈服強度的測定和計算方法

2.3.1 1/2斜率屈服強度的測定和計算方法

AS/NZS 2885.5:2012中靜水壓爆破試驗的壓力-進水量曲線1/2斜率屈服強度的測定，可以使用放大后的壓力-進水量曲線進行分析，根據(jù)坐標值的變化率來確定。如彈性段直線斜率為0.3 MPa·L-1，當壓力-進水量曲線圓弧段切線斜率為0.15 MPa·L-1時，相切點即為屈服強度。而曲線放大倍率與壓力和進水量測量的分辨率以及曲線的波動性有一定的關系，倍率過高時，曲線有跳動現(xiàn)象并不便于1/2斜率屈服強度的求取。

1/2斜率屈服強度可以根據(jù)壓力、進水量通過設備安裝的軟件求取，也可借助Excel軟件求取。采用Excel軟件時，先采用巴洛(Barlow)公式將壓力轉換為環(huán)向應力，巴洛公式見式(6)[3]，再將導出的進水量和應力數(shù)據(jù)用Excel軟件圖表類型中的散點圖繪制出應力-進水量曲線。1/2斜率屈服強度的計算即采用壓力-進水量曲線，在曲線上求得斜率線以及相應的1/2斜率切線，找出對應的切點即得出屈服強度。

S=pD/2t

(6)

式中：S為鋼管內(nèi)部靜水壓力在管壁上產(chǎn)生的單位周向應力。

2.3.2Rp0.2和Rt0.5的測定

Rp0.2和Rt0.5從應力、應變數(shù)據(jù)中求得(應變記錄至1%)，其應變值由拉線傳感器采集。另外也可采用Excel軟件，將導出的壓力值轉換為環(huán)向應力值，用散點圖繪制成應力-應變曲線，在曲線上畫出斜率線以及0.2%對應的平行線、0.5%對應的垂直線，分別找到他們與曲線相應的交點，得出Rp0.2以及Rt0.5的數(shù)值，如圖2所示。

圖2 Rp0.2和Rt0.5的求取示意圖Fig.2 Schematic diagram of Rp0.2 and Rt0.5 calculation

3 分析與討論

通過上述方法，可以將4根試樣借助鋼管靜水壓爆破試驗獲得的數(shù)據(jù)繪制成3類試驗曲線，從中計算出實際斜率、1/2斜率屈服強度、Rp0.2及Rt0.5。

最終算得4根試樣的理論斜率和實際斜率見表1。AS/NZS 2885.5：2012規(guī)定,在加壓過程中，壓力-進水量曲線的實際斜率和理論斜率差值率應小于10%，否則必須停止試驗，并分析原因，直到解決該問題。從表1可知，4根試樣的理論斜率和實際斜率差值均小于10%，符合標準要求。

表1 試樣的理論斜率和實際斜率Tab.1 Theoretical slopes and actual slopes of the samples

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、繪圖和計算得出1/2斜率屈服強度、Rp0.2及Rt0.5，見表2。由表2可知，通過前文所述的方法和計算公式可以方便快捷地獲得鋼管靜水壓爆破試驗的1/2斜率屈服強度、Rp0.2及Rt0.5，其中與鋼管管體橫向拉伸試驗得到的Rt0.5數(shù)據(jù)基本一致，表明上述方法獲得的數(shù)據(jù)可靠。

4 結論

(1)筆者提出的計算方法得到了1/2斜率屈服強度、實際斜率、Rp0.2及Rt0.5,且Rt0.5與實際拉伸試驗得到的數(shù)據(jù)基本一致。

(2)當試驗室沒有AS/NZS 2885.5計算屈服強度的鋼管靜水壓爆破試驗設備時，可借助Excel軟件并套用標準給出的公式，來求取所需要的屈服強度。根據(jù)此計算方法，可以為鋼管靜水壓爆破試驗設備擴展出屈服強度計算能力。