一種高鋼級(jí)輸送鋼管延遲開(kāi)裂擴(kuò)展控制技術(shù)

呂成秀，張曉霞，劉勝斌，汪 超，劉迪龍

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

新疆煤氣輸送管道工程項(xiàng)目是中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司牽頭的一項(xiàng)重大工程，該工程管道途徑廣東省，實(shí)現(xiàn)把新疆地區(qū)的天然氣輸送到浙江省。該工程項(xiàng)目所使用的鋼管鋼級(jí)為X80M，外徑1219 mm，壁厚為18.4～22.0 mm。該項(xiàng)目需要突破和解決的技術(shù)問(wèn)題與所運(yùn)輸?shù)奶烊粴獾男再|(zhì)有關(guān)，即這種天然氣中含有由煤炭氣化產(chǎn)生的氣體，該氣體中含有一定量的H2（氫氣）和CO2（二氧化碳），該氣體將會(huì)影響到鋼管阻止延遲開(kāi)裂的能力。目前大多數(shù)的管道工程項(xiàng)目，輸送的氣體組分一般為4%的CO2和8%的H2，且輸送壓力約為12 MPa。

1 延遲開(kāi)裂擴(kuò)展控制技術(shù)簡(jiǎn)介

延遲開(kāi)裂擴(kuò)展是由裂縫端部到尾部流體的膨脹釋放的能量所驅(qū)動(dòng)。在開(kāi)裂擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，且周圍也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的塑性變形場(chǎng)，這將會(huì)導(dǎo)致鋼材加工硬化，以及裂紋尖端前方管道的橢圓化和扁平化。在穩(wěn)態(tài)條件不變的情況下，延遲開(kāi)裂以恒定的速度傳播，這個(gè)速度由鋼材的局部氣壓和韌性之間的平衡所決定：如果韌性降低，開(kāi)裂速度就會(huì)增加，這樣就可能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)條件；如果韌性增加，開(kāi)裂速度就會(huì)下降，那么一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)也會(huì)形成。但當(dāng)韌性足夠高時(shí)，不會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展條件，開(kāi)裂就會(huì)減弱，并向螺旋方向轉(zhuǎn)變，并達(dá)到最終的止裂效果。

在發(fā)生延遲開(kāi)裂擴(kuò)展的情況下，通常通過(guò)設(shè)定能夠確保開(kāi)裂止裂的最低韌性來(lái)控制延遲開(kāi)裂的擴(kuò)展，如使用最小的夏比沖擊功，并根據(jù)給定的模型計(jì)算，最常用的是雙曲線模型。該模型將鋼管韌性或阻力和驅(qū)動(dòng)力分開(kāi)考慮，驅(qū)動(dòng)力是由氣體減壓引起的，是氣體成分、溫度和內(nèi)壓的函數(shù)，而韌性取決于鋼管材料和幾何特性。

雙曲線法適用于鋼管運(yùn)行壓力≤12 MPa，鋼管等級(jí)≤X80M（API 5L），夏比沖擊功≤100 J 的焊管。當(dāng)預(yù)測(cè)的止裂韌性＞100 J 時(shí)，則需要采用一個(gè)適當(dāng)?shù)男拚蜃?。?dāng)超出驗(yàn)證范圍時(shí)，一般通過(guò)全尺寸試驗(yàn)來(lái)評(píng)估或驗(yàn)證材料的開(kāi)裂性能，這種全尺寸試驗(yàn)被認(rèn)為是適用于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)之外的管道設(shè)計(jì)的最普遍的方法。

輸送流體組合物可以顯著增加所施加的驅(qū)動(dòng)力，從而影響止裂能力。因此，在預(yù)計(jì)管道失效的情況下，評(píng)價(jià)流體成分對(duì)其減壓的影響非常重要。在本項(xiàng)目中，大部分流體是CH4，其中的H2和CO2含量有限。由于輸送氣體中H2含量較少，故對(duì)本項(xiàng)目設(shè)想的氣體組成的影響不大。但H2可能影響材料的韌性，導(dǎo)致管線鋼的氫脆。在碳鋼管道中，氣態(tài)氫存在時(shí)脆化的嚴(yán)重程度取決于氣體壓力和鋼的微觀結(jié)構(gòu)特征。對(duì)碳鋼材料中氣態(tài)氫遷移引起的脆化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)和循環(huán)載荷下，如果鋼管一旦存在缺陷時(shí)，材料的脆化開(kāi)裂韌性就會(huì)減小，材料在存在氣態(tài)氫時(shí)的韌性阻力可以根據(jù)適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。另外，少量CO2的存在會(huì)影響氣體減壓曲線。

與減壓過(guò)程中壓力不斷降低的輸送天然氣的管道相比，超臨界/液態(tài)CO2管道輸送CO2的管道將暴露在一個(gè)基本恒定的臨界壓力下（氣體減壓曲線的平臺(tái)），這意味著可以施加更大的驅(qū)動(dòng)力。CO2管道滯留壓力的計(jì)算應(yīng)通過(guò)具體的開(kāi)裂滯留試驗(yàn)或現(xiàn)有的開(kāi)裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行驗(yàn)證，并應(yīng)充分考慮安全因素，在某些試驗(yàn)中即使飽和壓力低于預(yù)測(cè)的止裂壓力，致密相富CO2混合氣管道仍然可能發(fā)生開(kāi)裂擴(kuò)展。

2 雙曲線校正系數(shù)的選定

雙曲線法是評(píng)估抗延遲開(kāi)裂擴(kuò)展最低韌性值的最公認(rèn)的方法之一，是在一個(gè)特定的測(cè)試條件范圍內(nèi)得到的驗(yàn)證。本項(xiàng)目由于氣體成分主要是CO2和H2，已經(jīng)超出了這個(gè)驗(yàn)證范圍，故不能適用。

為了正確預(yù)測(cè)在其驗(yàn)證范圍之外的韌性要求，包括根據(jù)過(guò)去的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并盡可能接近被評(píng)估的情況，需要采用適當(dāng)?shù)男拚蜃?。將大口徑（?14 mm）和高壓力X80M 管道全尺寸開(kāi)裂擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)與雙曲線預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明預(yù)測(cè)值乘以1.43 的系數(shù)就足以保證開(kāi)裂擴(kuò)展點(diǎn)不出現(xiàn)在擴(kuò)展/停滯邊界以下。在實(shí)施完近期的試驗(yàn)測(cè)試后，該修正系數(shù)更新為1.46，其在測(cè)試數(shù)據(jù)范圍內(nèi)得到普遍認(rèn)可，但如果超出這一范圍則需要重新進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。

為得到該項(xiàng)目的最佳修正系數(shù)，收集X80M 輸送鋼管進(jìn)行的延遲開(kāi)裂擴(kuò)展試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，其中不包括為本項(xiàng)目和在俄羅斯進(jìn)行的試驗(yàn)（俄羅斯試驗(yàn)沒(méi)有包括在內(nèi)，因?yàn)闆](méi)有關(guān)于單個(gè)測(cè)試輸送鋼管韌性性能的詳細(xì)資料，只有每次試驗(yàn)中使用的輸送鋼管的平均夏比V 形切口值）。

將雙曲線法預(yù)測(cè)到的最小夏比V 形缺口沖擊功與實(shí)際沖擊功進(jìn)行比較，可以看出雙曲線法在預(yù)測(cè)X80M 鋼管的最小止裂條件方面的效果并不是很好（圖1）。實(shí)際上，位于雙曲線法預(yù)測(cè)（1∶1 的斜率線）之上，可以確定修正因子的保守值為1.46（所有的開(kāi)裂傳播實(shí)際上都可以應(yīng)用這個(gè)修正因子）。

圖1 沖擊功比較

3 止裂計(jì)算軟件

作為該項(xiàng)目的主要成果，有關(guān)公司開(kāi)發(fā)了開(kāi)裂止裂計(jì)算軟件，它能夠處理不同的鋼管幾何形狀、鋼級(jí)和條件的溫度、壓力和氣體成分，即純凈氣體和含有多種物質(zhì)的混合氣體，其中包括CO2和H2兩種氣體。

在本項(xiàng)目中，評(píng)估焊管全尺寸爆破試驗(yàn)對(duì)于潛在擴(kuò)展韌性開(kāi)裂的最低韌性要求時(shí)，采用CATC（止裂韌性計(jì)算模型）工具。例如，雙曲線模型規(guī)定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與阻力曲線相切時(shí)定義為止裂所需的最小開(kāi)裂韌性值，以94%天然氣（即99%甲烷）、1%氮?dú)狻?%二氧化碳和3%氫氣的混合氣體為增壓介質(zhì)，壓力為12.0 MPa，與397 MPa（0.72 SMYS）的環(huán)向應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。這就是下面所描述的全尺寸試驗(yàn)所用的氣體成分，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯瑢?duì)于具體的項(xiàng)目條件而言，較低的CO2百分比不會(huì)嚴(yán)重影響減壓曲線。

圖2 雙曲線模型圖表

CATC 軟件也允許用戶考慮使用一個(gè)特定的修正系數(shù)，在本項(xiàng)目中，X80M 鋼級(jí)設(shè)定的修正系數(shù)在1.46～1.65。因此，最低韌性要求亦已根據(jù)采用的修正系數(shù)作出修正（表1）。

表1 雙曲線預(yù)測(cè)的未修正和修正的最低韌性值J

4 全尺寸爆破試驗(yàn)和敏感度分析

為了確定選用鋼管的抗延遲開(kāi)裂擴(kuò)展的能力，本工程所采用的是鋼級(jí)X80M，外徑1219 mm、壁厚18.4～22.0 mm 的鋼管進(jìn)行全尺寸爆破試驗(yàn)，鋼管的運(yùn)行壓力為12 MPa。

試驗(yàn)段使用的鋼管是由不同的制造廠家生產(chǎn)的，試驗(yàn)段總長(zhǎng)111.5 m，由11 根鋼管（其中1 根為引管，10 根為試驗(yàn)管）組成。試驗(yàn)段的西側(cè)采用壁厚18.4 mm 的螺旋埋弧焊焊管，東側(cè)采用的是壁厚22 mm 的直縫埋弧焊焊管，同樣試驗(yàn)引管也采用的是直縫埋弧焊焊管。

實(shí)驗(yàn)鋼管裝上實(shí)驗(yàn)儀器后將全部埋起來(lái)，然后加壓、將目標(biāo)氣體混合物的壓力加到12 MPa，并通過(guò)安裝在引管（爆炸點(diǎn)）上的炸藥引爆鋼管，管壁溫度（約+15 ℃）足以保證鋼管的延遲開(kāi)裂擴(kuò)展。開(kāi)裂在試驗(yàn)管上以極高的速度向兩個(gè)方向定期注入和擴(kuò)展，同時(shí)它又靠裂紋開(kāi)裂部位及其后方的氣體減壓產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力來(lái)維持。通過(guò)實(shí)驗(yàn)管沿線安裝適當(dāng)?shù)碾姎饣瘜?dǎo)線（即“定時(shí)導(dǎo)線”）對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)裂的擴(kuò)展速度進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，根據(jù)每根定時(shí)導(dǎo)線在試驗(yàn)管上的位置和開(kāi)裂發(fā)生的時(shí)間，計(jì)算出局部速度。

該實(shí)驗(yàn)與CATC 模型預(yù)測(cè)結(jié)果相一致，開(kāi)裂在起爆管內(nèi)擴(kuò)展，并在西側(cè)（W1 管）和東側(cè)（E1 管）的第一根鋼管內(nèi)止裂。盡管這兩種鋼管的韌性值有些分散，但仍然可以認(rèn)為，本實(shí)驗(yàn)與X80M 鋼管的預(yù)測(cè)是一致的（修正因子為1.46～1.65）。止裂均呈現(xiàn)典型的螺旋化軌跡，尤其是W1 管上的螺旋焊縫對(duì)止裂沒(méi)有影響。斷口表面的分析表明，所有開(kāi)裂擴(kuò)展完全是延遲的。

5 結(jié)論

（1）雙曲線法是評(píng)估抗延遲開(kāi)裂擴(kuò)展最低韌性值的公認(rèn)方法之一。當(dāng)氣體中含有CO2和H2兩種物質(zhì)時(shí)，要適當(dāng)?shù)匾胄拚蜃?.46。

（2）通過(guò)爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼級(jí)為X80M，外徑1219 mm、壁厚18.4～22.0 mm 的焊管具有良好的延遲開(kāi)裂止裂能力，能夠滿足項(xiàng)目要求。

（3）利用CATC 和PICPRO 軟件聯(lián)合進(jìn)行改變氣體成分的敏感度分析試驗(yàn)，斷口呈現(xiàn)完全的延遲開(kāi)裂形貌，無(wú)材料脆化跡象。