霍春勇　李　鶴　張偉衛(wèi)　楊　坤　池　強(qiáng)　馬秋榮

1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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X80鋼級(jí)1422mm大口徑管道斷裂控制技術(shù)

霍春勇1,2李鶴1,2張偉衛(wèi)1,2楊坤1,2池強(qiáng)1,2馬秋榮1,2

1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

霍春勇等.X80鋼級(jí)1 422mm大口徑管道斷裂控制技術(shù).天然氣工業(yè)，2016,36(6):78-83.

摘 要在中俄東線天然氣管道工程中采用高鋼級(jí)（X80鋼級(jí)）、大口徑（外徑為1 422mm）的管道進(jìn)行高壓輸送（壓力為12MPa）可以有效增加天然氣輸送量，滿足我國(guó)能源戰(zhàn)略的需要。然而隨著鋼級(jí)、輸送壓力、管徑及設(shè)計(jì)系數(shù)的不斷提高，管道的延性斷裂成為斷裂的主要方式，止裂控制便成為研究的重點(diǎn)。為此，對(duì)止裂韌性計(jì)算的主要方法Battelle雙曲線（BTC）方法以及斷裂阻力曲線和減壓波曲線進(jìn)行了深入研究，明確了BTC方法的原理及其適用范圍，同時(shí)分析了BTC方法應(yīng)用于高強(qiáng)度、高韌性管線鋼時(shí)所存在的問(wèn)題，給出了目前國(guó)際上針對(duì)BTC計(jì)算結(jié)果常用的修正方法?；仡櫫硕砹_斯Bovanenkovo-Ukhta外徑為1 422mm X80管道斷裂的控制方案，針對(duì)中俄東線管道的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)BTC計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正，進(jìn)而制訂出符合中俄東線天然氣管道安全要求的止裂韌性值（245 J）。

關(guān)鍵詞中俄東線天然氣管道工程1 422mm外徑X80鋼級(jí)斷裂控制止裂韌性BTC方法減壓波

隨著天然氣需求量的與日俱增和管線鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用X80及以上級(jí)別高強(qiáng)度鋼管進(jìn)行高壓、大輸量、長(zhǎng)距離輸送天然氣已經(jīng)成為世界天然氣管道輸送技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。然而隨著鋼級(jí)、輸送壓力、管徑及設(shè)計(jì)系數(shù)的不斷提高，管道的延性斷裂成為了斷裂的主要方式，已經(jīng)嚴(yán)重威脅管道安全并成為制約高鋼級(jí)焊管廣泛應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題[1]，止裂控制便成為了研究的重點(diǎn)。

通常采用Battelle雙曲線方法（BTC）對(duì)輸氣管道的止裂韌性進(jìn)行預(yù)測(cè)。然而當(dāng)管道鋼級(jí)達(dá)到X80以上，止裂韌性達(dá)到100 J以上時(shí)，BTC方法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性便會(huì)急劇下降。因此，對(duì)于高壓（10MPa及以上）、大口徑（外徑為1 219mm及以上）、富氣X80鋼管道，就需要對(duì)BTC結(jié)果進(jìn)行修正來(lái)確定止裂韌性。為此筆者就BTC的方法原理、存在的問(wèn)題及中俄東線外徑為1 422mm的X80鋼管道止裂韌性確定方法進(jìn)行深入的分析和闡述。

1　止裂韌性預(yù)測(cè)技術(shù)

1.1BTC方法

API 5L和ISO 3183規(guī)定了計(jì)算鋼管延性斷裂止裂韌性的4種方法，如表1所示。可見(jiàn)當(dāng)壓力達(dá)到12MPa，鋼級(jí)達(dá)到X80時(shí)只有BTC方法適用，但是當(dāng)BTC的計(jì)算值超過(guò)100 J時(shí)，則需要對(duì)止裂韌性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

BTC方法的原理是通過(guò)比較材料阻力曲線（J曲線）和氣體減壓波曲線來(lái)確定止裂韌性。當(dāng)這兩條曲線相切，代表在某一壓力下裂紋擴(kuò)展速率與氣體減壓波速率相同，達(dá)到止裂的臨界條件，與此條件相對(duì)應(yīng)的韌性（Cv，夏比沖擊功）即為BTC方法確定的止裂韌性。

1.1.1材料阻力曲線

洞庭湖濕地旅游開(kāi)發(fā)起步晚，已有產(chǎn)品單一，以傳統(tǒng)的湖區(qū)風(fēng)光參觀為主，針對(duì)特色湖湘文化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)稀少，游客體驗(yàn)感欠佳。其湖區(qū)中部旅游景觀產(chǎn)品十分單調(diào)，無(wú)層次立體感，連唯一有特色的旅游項(xiàng)目——觀鳥(niǎo)，時(shí)空制約明顯。

BTC方法中用來(lái)計(jì)算材料阻力曲線的基本模型如下所示。

表2　BTC方法中對(duì)于不同參數(shù)的定義表

式中Vc表示裂紋擴(kuò)展速度，m/s；R表示斷裂阻力，J/mm2；σflow表示流變應(yīng)力，MPa；pd表示裂紋尖端動(dòng)態(tài)壓力，MPa；pa表示止裂壓力，MPa；c、m表示回填常數(shù)；t表示鋼管壁厚，mm；r表示鋼管半徑，mm；σarrest表示止裂應(yīng)力，MPa；MT表示膨脹因子；E表示鋼管彈性模量，MPa；Ceff表示有效裂紋長(zhǎng)度，mm。其中R、σflow、c、m按表2進(jìn)行計(jì)算和取值。

BTC方法在20世紀(jì)70年代由美國(guó)著名的研究機(jī)構(gòu)巴特爾紀(jì)念研究所（Battelle Memorial Institute，以下簡(jiǎn)稱為Battelle）建立，成功地預(yù)測(cè)了在不同工況條件下X70及以下級(jí)別管線鋼延性斷裂止裂所需Cv。然而對(duì)于現(xiàn)代高強(qiáng)度（X80及以上）、高韌性（100 J以上）的管線鋼，BTC方法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性則隨著鋼級(jí)和止裂韌性的升高而下降，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要觀點(diǎn)如下：

1）BTC方法發(fā)展之初，主要用于X70及以下級(jí)別管線鋼的止裂韌性預(yù)測(cè)，其流變應(yīng)力定義為屈服強(qiáng)度加上68.95MPa。隨著管道鋼級(jí)的提高，材料的屈強(qiáng)比也隨之上升，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算的流變應(yīng)力將接近或者超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度。因此對(duì)于X80及以上級(jí)別管線鋼，采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的平均值或引入加工硬化指數(shù)來(lái)重新定義流變應(yīng)力將更為合理。同時(shí)，大量的研究成果也表明不同的流變應(yīng)力定義會(huì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，但這不是BTC方法不準(zhǔn)確的根本原因。

2）BTC方法中的土壤回填常數(shù)m和c是Battelle根據(jù)早期全尺寸氣爆試驗(yàn)結(jié)果回歸計(jì)算得到，如圖1所示。

圖1　BTC方法回填參數(shù)回歸計(jì)算圖

回歸計(jì)算結(jié)果如表2所示，在任何情況下m都為1/6，而當(dāng)回填時(shí)c為0.275 0，無(wú)回填時(shí)c為0.379 5。早期的氣爆實(shí)驗(yàn)主要采用X52和X65管線鋼管，其韌性都低于100 J，回填時(shí)采用黏土和沙土，回填高度為0.762m。而高鋼級(jí)（X70、X80、X100及X120）、高韌性（大于100 J）管線鋼問(wèn)世之后進(jìn)行的全尺寸爆破試驗(yàn)中，一方面鋼級(jí)和韌性不同于BTC方法建立時(shí)的研究對(duì)象（低強(qiáng)度、低韌性管線鋼管）；另一方面回填深度和回填土類型也有所不同，例如回填深度增加到1.2m。試驗(yàn)鋼級(jí)和回填參數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致不同的回填常數(shù)，例如日本高強(qiáng)度管線鋼管委員會(huì)通過(guò)進(jìn)行7次直徑為1 219mm，壁厚為18.3mm的X70管線鋼管全尺寸氣爆試驗(yàn)而確定的m和c分別為0.67和0.393 0（回填情況）[2]?；靥畛?shù)既反映了回填土對(duì)于裂紋擴(kuò)展的約束作用，也反映了不同性能鋼管對(duì)于約束的不同響應(yīng)。在無(wú)約束（例如不回填）和低約束（例如低的回填深度）的情況下，裂紋將擴(kuò)展得更快。因此Battelle早期計(jì)算得到的m和c已不再適用于高鋼級(jí)管線鋼管以及新的回填工藝。

3）BTC方法中材料斷裂阻力（R）是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它反映了材料對(duì)于裂紋擴(kuò)展的阻力。Cv本來(lái)不是斷裂力學(xué)中的斷裂韌性參數(shù)，但是Battelle在早期的研究中，發(fā)現(xiàn)低鋼級(jí)、低韌性管線鋼（100 J以下）單位面積Cv與平面應(yīng)力下的應(yīng)變能釋放率Gc呈1∶1的線性關(guān)系[3]。因此，用Cv替代Gc將R表征為Cv/Ac。然而眾多的研究結(jié)果表明，隨著現(xiàn)代管線鋼韌性的增加，當(dāng)超過(guò)100 J后單位面積Cv與平面應(yīng)力下的應(yīng)變能釋放率Gc不再表現(xiàn)為1∶1的線性關(guān)系[3-4]，如圖2所示。因此如何正確地表征BTC公式中的R成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

圖2　Gc與Cv/Ac關(guān)系圖[3]

1.1.2減壓波曲線

減壓波的預(yù)測(cè)模型基于一維等熵流動(dòng)，因此與管徑無(wú)關(guān)，只與氣質(zhì)組分、溫度和壓力有關(guān)。減壓波速度定義為：

式中ΔU表示介質(zhì)的速度差，m/s；ρ表示介質(zhì)密度，kg/m3；Δρ表示密度差，kg/m3。

密度和聲速都需要由狀態(tài)方程來(lái)確定，目前已發(fā)表的狀態(tài)方程包括AGA-8、BWRS、SRK、PR和GERG等[5-10]，其中BWRS和GERG狀態(tài)方程計(jì)算精度最高，常用于天然氣減壓波計(jì)算。在計(jì)算減壓波時(shí)，主要有兩點(diǎn)需要注意：①對(duì)于大口徑鋼管（如外徑為1 422mm的鋼管），外流氣體與管壁摩擦的影響可以忽略不計(jì)，因此對(duì)于大口徑鋼管無(wú)需考慮鋼管內(nèi)表面的粗糙度；②含有重烷烴的富氣在減壓過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)由氣相到液相的相變，造成氣液兩相共存的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生減壓波平臺(tái)。減壓波平臺(tái)的出現(xiàn)使裂紋尖端的壓力長(zhǎng)時(shí)間保持在高位而無(wú)法降低，增加了止裂的難度。

1.2基于BTC模型的主要修正方法

當(dāng)鋼管止裂韌性超過(guò)100 J時(shí)，需要對(duì)BTC方法進(jìn)行修正，主要的修正方法如下。

1）Leis修正，如式（5）和式（6）所示，其中式（5）適用于X70管線鋼，式（6）適用于X80管線鋼。

式中CVNBTCM為BTC方法計(jì)算的CVN能量，J；CVNarrest為經(jīng)修正后的止裂韌性值，J。

2）Eiber修正，如式（7）所示，適用于X80管線鋼。

3）Wilkowski修正，如式（8）所示，適用于X80管線鋼。

CVNarrest=0.056×(0.1018 ×CVNBTCM+ 10.29)2.597- 16.8 (8)

4）線性修正，如式（9）所示，K為常數(shù)：

2　外徑為1422mm的X80鋼管道斷裂控制方案

2.1俄羅斯外徑為1 422mm的X80鋼管道斷裂控制方案

為了建設(shè)總長(zhǎng)度達(dá)1 106km的Bovanenkovo-Ukhta長(zhǎng)輸管線，從2008年3月至2009年1月，俄羅斯共進(jìn)行了10次X80鋼管道全尺寸氣爆實(shí)驗(yàn)[11-12]。實(shí)驗(yàn)鋼管包括壁厚為23.0mm、27.7mm和33.4mm的 外徑為1 420mm 的X80鋼直縫埋弧焊管，實(shí)驗(yàn)中在起裂管兩側(cè)各排列3根等CVN能量測(cè)試鋼管，根據(jù)EPRG標(biāo)準(zhǔn)要求在3根鋼管內(nèi)止裂。在第4次實(shí)驗(yàn)中，裂紋穿過(guò)所有3根測(cè)試鋼管而無(wú)法止裂。這些鋼管的斷口特征如圖3所示，表現(xiàn)為韌脆混合斷口而不具備典型的45°剪切斷裂特征。這些鋼管的DWTT形貌如圖4所示，可見(jiàn)具有明顯的斷口分離特征。

圖3　俄羅斯擴(kuò)展管的爆破試驗(yàn)斷口特征圖

圖4　俄羅斯擴(kuò)展管的DWTT斷口形貌圖

Bovanenkovo-Ukhta管道的設(shè)計(jì)溫度為-20 ℃，BTC修正計(jì)算后的止裂韌性為200 J，在此溫度下進(jìn)行的CVN試驗(yàn)表明裂紋擴(kuò)展管和止裂管的CVN能量區(qū)別不大，而在-40 ℃進(jìn)行試驗(yàn)則會(huì)使裂紋擴(kuò)展管CVN試樣的斷口分離現(xiàn)象明顯增強(qiáng)，并表現(xiàn)為CVN能量的急劇下降。而止裂管即便在-40 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，其CVN能量下降也很小。因此，為了能有效鑒別具有斷口分離特征的擴(kuò)展管，在Bovanenkovo-Ukhta管道的技術(shù)指標(biāo)中，將CVN試驗(yàn)溫度規(guī)定為-40 ℃。

2.2中俄東線外徑為1 422mm的X80鋼管道斷裂控制方案

中俄東線天然氣管道輸送的天然氣組成為：C1的摩爾分?jǐn)?shù)為91.41%，C2的摩爾分?jǐn)?shù)為4.93%，C3的摩爾分?jǐn)?shù)為0.96%，C4的摩爾分?jǐn)?shù)為0.41%，C5的摩爾分?jǐn)?shù)為0.24%，N2的摩爾分?jǐn)?shù)為1.63%，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.06%，He的摩爾分?jǐn)?shù)為0.29%，H2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.07%。一類地區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)為：管道鋼級(jí)為X80，管徑為1 422mm，壓力為12MPa，管道壁厚為21.4mm，設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72。

中俄東線的設(shè)計(jì)壓力為12MPa，但是只有在壓氣站的出氣口處壓力才會(huì)達(dá)到12MPa，而在下一個(gè)壓氣站的進(jìn)氣口處壓力會(huì)顯著降低。中俄東線最低凍土層溫度為-1.5 ℃，在正常輸送的情況下，壓氣站出氣口的溫度會(huì)顯著高于-1.5 ℃，而下一個(gè)壓氣站進(jìn)氣口處的溫度也會(huì)在-1.5 ℃以上。只有在最惡劣的情況下（管道埋于凍土層內(nèi)及長(zhǎng)時(shí)間停輸），管道內(nèi)的氣體溫度才會(huì)降至地溫，但此時(shí)管道內(nèi)壓力也會(huì)下降（約1MPa）。綜合考慮，在進(jìn)行止裂韌性計(jì)算時(shí)選取12MPa和0 ℃作為計(jì)算參數(shù)。

圖5為中俄東線BTC計(jì)算結(jié)果，計(jì)算中采用BWRS狀態(tài)方程進(jìn)行減壓波計(jì)算?？梢?jiàn)中俄東線氣質(zhì)組分存在明顯的減壓波平臺(tái)，止裂韌性CVN能量計(jì)算值為167.97 J，由于BTC計(jì)算值超過(guò)100 J。因此必須進(jìn)行修正。

圖5　中俄東線BTC計(jì)算結(jié)果圖

經(jīng)不同方法修正后得到的止裂韌性結(jié)果為：BTC預(yù)測(cè)值為167.97 J；1.46倍修正值為245 J；Leis-2修正值為250 J；Eiber修正值為251 J；Wilkowski修正值為286 J。其中Leis-2、Eiber和1.46倍修正的結(jié)果基本一致?？紤]到1.46倍修正可以較好地將全尺寸爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的裂紋擴(kuò)展點(diǎn)和止裂點(diǎn)分開(kāi)，如圖6所示[13]。進(jìn)而最終將止裂韌性指標(biāo)確定為245 J，此指標(biāo)為單根止裂韌性指標(biāo)。

圖6　X80鋼管道全尺寸氣體爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)圖

圖7為單爐試制鋼管的斷口形貌，可見(jiàn)試樣不存在嚴(yán)重的斷口分離。最近在國(guó)內(nèi)全尺寸爆破試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展的外徑為1 422mm的X80鋼管道全尺寸爆破試驗(yàn)同樣表明，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的外徑為1 422mm的X80鋼管爆破斷口形貌為45°剪切斷口，可以依靠自身韌性進(jìn)行止裂。

圖7　中俄東線單爐試制鋼管DWTT斷口形貌圖

3　結(jié)論及建議

1）Battelle 建立的BTC方法不能直接應(yīng)用于現(xiàn)代高強(qiáng)度高韌性管線鋼的止裂韌性計(jì)算，其模型的改進(jìn)有待進(jìn)一步深入研究解決。

2）采用BTC結(jié)合1.46倍修正的方法確定中俄東線外徑為1 422mm、X80鋼管道的止裂韌性指標(biāo)為245 J。

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（修改回稿日期2016-04-13編輯何明）

Fracture control technology for the X80 large OD 1 422mm line pipes

Huo Chunyong1,2,Li He1,2,Zhang Weiwei1,2,Yang Kun1,2,Chi Qiang1,2,Ma Qiurong1,2
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute， Xi’an,Shaanxi 710077,China; 2.State Key Laboratory for Performance and structure Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials， Xi’an,Shaanxi 710077,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.78-83,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:High-grade (API 5L X80) and large-diameter (OD 1 422mm) line pipes are used in the Sino–Russian eastern route gas pipeline project for high pressure (12MPa) transmission,and this can significantly increase the transmission capacity and meet China’s energy strategic demand.With the increase of steel grade,transmission pressure,pipe diameter and design coefficient,however,ductile fracture of line pipes becomes the dominant fracture mode,so it is necessary to focus on fracture arrest and control study.In this paper,therefore,an intensive study was performed on the Battelle Two-Curve (BTC) method which is the major solution to the calculation of arrest toughness,as well as the fracture resistance curve and decompression curve.Based on the study,the principle and application range of the BTC method were confirmed.In addition,a series of analysis were conducted on the issues which occurred when the BTC method was applied to high-strength,high-toughness line pipe steel,and the commonly used modified approaches to BTC calculation results were also provided.After the fracture control scheme of the X80 large OD 1 422mm line pipes for the Russian Bovanenkovo–Ukhta was reviewed,the BTC calculation results were corrected on the basis of the design parameters of the Sino–Russian eastern route gas pipeline project,the Charpy vee-notched (CVN) impact energy which meets the project requirement was finally worked out to be 245 J.

Keywords:Sino–Russian eastern route gas pipeline project; OD 1 422mm; API 5L X80 line pipes; Fracture control; Crack-arrest-toughness value; BTC method; Charpy vee-notched (CVN) impact energy; Decompression

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.012

作者簡(jiǎn)介：霍春勇，1966年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士；主要從事長(zhǎng)輸管道斷裂控制方面的研究工作。地址:(710077)陜西省西安市錦業(yè)二路89號(hào)。電話:(029)81887999。ORCID:0000-0002-0028-3958。E-mail:huochunyong@cnpc.com.cn