X80級鋼管水壓沖擊試驗

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

為了評價 X80鋼管在我國高壓油氣管道中的應用前景，進行了靜水壓爆破試驗。測試了 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度。當環向應力小于1.1 SMYS 時，管道正常變形為彈性均勻變形，最大應變小于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

隨著人們對油氣需求的不斷增加，高壓油氣管道得到了廣泛的應用。對于管道使用者來說，這顯然是非常有吸引力的，因為它可以增加操作壓力，而操作壓力必須低于管道工程中管道的試驗壓力。測試應該幾乎限制在水平約90% 的規定屈服強度(SMYS)的管道材料在許多國家。很少有管道測試到100% SMYS 的水平。在管道工程中進行靜水壓爆破試驗，驗證管道的完整性。新鋼種或新焊接方法的質量要求和使用。大直徑、高強度、高壓管道的眾多制作方法的采購人員也需要進行試驗。在鋼管工程中，通常可以通過試驗獲得最大壓力和爆破壓力等強度。研究了拉茲管道的全尺寸斷裂現象(Azevedo & Sinatora，2004; Chen & sutherland，2006)、超壓傳動(Ellis & Gdaniec，2001)、沖擊(Palmer，Touhey，Holder，Anderson，& Booth 2006)和腐蝕(Hardie，Charles，& Lopes，2006; Netto，ferr，& Estefen，2005)。盡管對輸氣管道的設計具有重要意義，但對管道變形的研究報道很少。本研究旨在探討 X80鋼管在靜水壓力作用下的變形與強度。

Ⅱ.實驗

采用 JCOE 工藝生產的 X80鋼管，外徑1016 mm，壁厚18.4 mm，縱長10 m。試樣由液壓泵組成的噴油試劑盒加壓。采用靜態應變儀測量了變形量。在測試過程中，壓力傳感器、應變片和流量傳感器的信號通過基于工業計算機的數據采集系統進行監測。應變片安裝在管道上，如圖1,2 #~15 # 母材，16 # ~19 # 焊接。結果表明: 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。

根據美國材料試驗協會 ASTM E-2001規定，在鋼板軋制方向為 l 的拉伸軸上，對 X80管材進行了單軸所用材料試驗。試樣的幾何特性如表1所示。母體金屬的化學成分為碳0.040% ,錳1.81% ，硅0.027% ，磷0.01% ，硫0.0005%。

負載模擬加壓的管道靜水壓力，這是進行了五個步驟。首先，管道在壓力約70% SMYS 的條件下放置約24小時，以核實沒有發生泄漏之前，被解壓為零。其次，壓力增加到90% 左右。接下來的壓力是105% 的 SMYS 和110% 的 SMYS。最后，管道被不間斷地加壓直到爆裂。

Ⅲ.結果和討論

三條試樣在單軸拉伸測試和數據列于表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載荷作用下的應力-應變曲線。當最大壓力低于1.1 SMYS 時，管道變形為均勻彈性變形。在加載過程中，應變隨壓力線性增大而增大。當管道降壓到零時，沒有殘余變形。焊縫應變比母材低20-30% 。缺陷對焊縫變形沒有影響。在塑性變形發生后，短暫的平臺期和隨后的硬化遵循管道的壓力-應變行為。在破壞發生之前，位于15號應變計附近的管道最薄弱部位的變形迅速增大，形成局部隆起。初始斷裂點位于母材中。裂紋擴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。P-v 曲線與 X80管線鋼的應力-應變曲線相似。該管道沒有明顯的屈服點，但在超過比例限制后承受大應變。作為控制參數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，對管材屈服極限敏感。由于新線的斜率，斜率下降了幾個百分點。新直線與 p-v 圖的交點可以是停止水壓試驗的數值。

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。當水可以受到影響時，這個比等于體積的變量。管材的屈服強度(Ps 值為26.33 MPa)為母材的116% ，相當于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% 范圍內的新曲線可以與壓力-容積曲線相交。交叉點表示水壓試驗的最大壓力，并列在表2中。斜坡偏移小于4% 的管道尚未進入明顯的屈服階段。

Ⅳ.結論

本研究對 X80鋼管進行了水壓爆破試驗，并對試驗結果進行了優化，以測試管材的變形和屈服強度。結果表明，即使最大試驗壓力為110% ，達到規定最小屈服強度的管材也不會發生明顯變形。當壓力-容積圖的坡度偏移量收集到控制變量時，1% 到2% 的范圍不會損壞管道。

本文來源：精川材料檢測