CN103604705A

CN103604705A - 用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法

Info

Publication number: CN103604705A
Application number: CN201310479358.2A
Authority: CN
Inventors: 李洋; 张伟卫; 王鹏; 李鹤; 吉玲康; 池强; 霍春勇; 冯耀荣
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-10-14
Also published as: CN103604705B

Abstract

本发明公开了一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法，其装置包括：第一储气库、第二储气库、至少三根直缝钢管、与直缝钢管数量相适配的螺旋缝钢管、止裂器、启裂管、引爆单元及测量单元；直缝钢管置于第一储气库与启裂管之间；螺旋缝钢管置于第二储气库与启裂管之间；且直缝钢管与螺旋缝钢管、第一储气库与第二储气库分别以启裂管为对称轴呈中心对称结构分布排列；直缝钢管与第一储气库之间、螺旋缝钢管与第二储气库之间分别设置有止裂器；引爆单元置于启裂管上方中心部位处；测量单元置于钢管的不同部位处；且测量单元能够实现与外界数据处理终端进行数据信号的传递。本发明实现了对钢管止裂韧性的准确测量，且具有测量准确度高的特点。

Description

用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别涉及一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法。

背景技术

由于国民经济的快速发展，对能源特别是天然气的需求迅猛增加。为提高管道输送效率、降低建设成本，高钢级、大口径、高压力输送成为天然气管道的发展趋势。延性裂纹的长程扩展是天然气管道失效的主要模式之一，往往造成灾难性的后果。为了避免天然气管道的延性裂纹长程扩展，在管道铺设前，需要确定一个合理的管道止裂韧性，以保证裂纹能够在一定长度内止裂。天然气管道裂纹的扩展或止裂与裂纹尖端裂纹扩展驱动力和裂纹扩展阻力直接相关，具体则反映在裂纹尖端的气体减压波速度和裂纹扩展速度的关系上，即，前者大与后者则裂纹停止，后者大于前者则裂纹扩展，当二者相等时裂纹止裂。裂纹的扩展速度与气体减压波速度的影响因素很多，例如，管道几何尺寸（外径、壁厚）、运行压力、钢管性能（强度、韧性）、温度、气体组分等。

如何合理准确地确定天然气管道的止裂韧性一直是天然气管道研究和应用的难题，尤其对于高强度、高压力天然气输送管道，这一问题显得更加突出。目前，在止裂韧性确定方面大多采用一些计算模型进行止裂韧性的预测，例如BTC、HLP等。但这些止裂预测方法都有各自的局限性，不能覆盖于所有钢级、所有压力水平的天然气管道止裂韧性的确定。并且，随着钢管强度和韧性的进一步提高，由这些预测模型得到的止裂韧性与实际管道的止裂性能相比均偏于危险。因此，现有的止裂预测模型的可靠性受到了很大的挑战。实物试验结果往往令人信服也更加直观，但是可靠的试验结果又与合理的测试方法和试验设计密不可分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法，能够实现对高强度、高压力气体输送管道的止裂韧性进行准确测量，具有准确度高的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于管道止裂韧性测量的装置，包括：第一储气库、第二储气库、至少三根直缝钢管、与所述直缝钢管数量相适配的螺旋缝钢管、止裂器、启裂管、用于所述启裂管和所述管道组中管道产生裂纹的引爆单元及用于获取所述管道组中管道止裂韧性测量参数的测量单元；所述启裂管置于所述第一储气库、所述第二储气库之间，且所述第一储气库、所述第二储气库以所述启裂管为中心轴呈中心对称结构分布；所述直缝钢管沿所述启裂管至所述第一储气库方向依次排列，且每两个所述直缝钢管之间通过其各自端部固定连接；所述第一储气库与所述直缝钢管之间设置有所述止裂器；所述螺旋缝钢管沿所述启裂管至所述第二储气库方向依次排列，且每两个所述螺旋缝钢管之间通过其各自端部固定连接；所述第二储气库与所述螺旋缝钢管之间设置有所述止裂器；所述直缝钢管沿所述启裂管至所述第一储气库方向的钢管韧性依次递增；所述螺旋缝钢管沿所述启裂管至所述第二储气库方向的钢管韧性依次递增；所述启裂管两侧相同距离部位处的所述直缝钢管与所述螺旋缝钢管韧性相同；所述引爆单元置于所述启裂管上方中心部位处；所述测量单元置于所述钢管的不同部位处，用于获取所述钢管的韧性测量参数；所述测量单元能够实现与外界数据处理终端进行数据信号的传递。

进一步地，每根所述直缝钢管与其前一根直缝钢管的直焊缝错开角度A固定连接；每根所述螺旋缝钢管其螺旋缝与环焊缝相交位置处于所述钢管底部；每个所述钢管中心轴线相互平行。

进一步地，所述角度A是30°；所述固定连接是自动埋弧焊或手工埋弧焊焊接。

进一步地，所述测量单元包括：压力传感器、热电偶及设置在所述钢管外壁的计时线；所述储气库、所述启裂管、所述钢管通过所述压力传感器能够实现实时采集内部压力数值信号；所述储气库、所述启裂管、所述钢管通过所述热电偶能够实现实时采集内部气体与管壁的温度数值信号；所述钢管通过所述计时线记录的信号，可实时获取裂纹通过钢管计时线所在位置时的时间，进而获得裂纹扩展的实时速度；外界数据处理终端通过实时采集所述压力数值信号、所述温度数值信号及所述裂纹扩展速度，进而实现获得所述钢管的止裂韧性数值。

进一步地，每个所述钢管每隔1-5mm设置一条计时线。

本发明还提供了一种基于上述测量装置的测量方法，包括：对所述测量装置的安全性能进行检测；将所述测量装置埋于坑道内，在靠近所述储气库端部部位处通过锚固桩进行固定；将所述测量装置通过信号传输线与外界数据处理终端连接，实现信号传递；将液化天然气注入所述装置中，并通过气体压缩机进行加压；对所述测量装置进行土壤回填，并引发所述测量装置中的引爆单元，通过外界数据处理终端实时采集所述测量装置中测量单元的数据测量信号。

进一步地，对所述测量装置安全性能进行检测包括：通过X射线和超声波对所述测量装置中的管道组焊缝异常进行检测；通过静水压实验对所述测量装置中的管道组泄漏情况进行检测。

本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法，通过将引爆单元置于启裂管上方中心部位处；将测量单元置于钢管的不同部位处，用于获取所述钢管的韧性测量参数；同时，测量单元通过信号传输线与外界数据处理终端进行数据信号的传递，实现了对钢管止裂韧性的准确测量，直缝钢管、螺旋缝钢管以启裂管为中心对称轴在启裂管两侧呈中心对称结构分布，实现了对直缝钢管、螺旋缝钢管的止裂韧性同时进行测量。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置的部分结构示意图；

图2为本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置中相邻直缝钢管间的连接关系示意图一；

图3为本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置中相邻直缝钢管间的连接关系示意图二；

图4为本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置中相邻螺旋缝钢管间的连接关系示意图；

图5为本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量装置的测量方法工艺流程图；

图6为本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法在实际作业过程中的测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见图1-4，本发明实施例提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置，包括：第一储气库101、第二储气库102、第一管道组、第二管道组、止裂器1、启裂管2、用于启裂管2及管道组中管道产生裂纹的引爆单元、用于获取管道组中管道止裂韧性测量参数的测量单元。其中，第一管道组置于第一储气库101与启裂管2之间；第二管道组置于第二储气库102与启裂管2之间；且第一管道组与第二管道组、第一储气库101与第二储气库102分别以启裂管2呈中心对称结构分布排列；第一管道组与第一储气库101之间、第二管道组与第二储气库102之间分别设置有止裂器1。同时，引爆单元（爆炸装置）置于启裂管2上方中心部位处（便于引爆单元爆炸后裂纹沿启裂管2顶部中心部位呈对称扩展方式向启裂管2两侧扩展）；测量单元置于管道组中不同管道的不同部位处，用于获取管道组中不同管道的韧性测量参数；测量单元能够实现与外界数据处理终端进行数据信号的传递。

本实施例中，第一管道组包括：至少三根直缝钢管3。其中，直缝钢管3沿启裂管2至第一储气库101方向依次排列，且每两个直缝钢管2之间通过其各自端部固定连接。第一储气库101与直缝钢管3之间设置有止裂器1。

本实施例中，第二管道组包括：与直缝钢管3数量相适配的螺旋缝钢管4。其中，螺旋缝钢管沿启裂管2至第二储气库102方向依次排列，且每两个螺旋缝钢管4之间通过其各自端部固定连接；第二储气库102与螺旋缝钢管4之间也设置有止裂器1。实际作业过程中，将多根直缝钢管3及多根螺旋缝钢管4对称分布于启裂管2两侧，能够实现仅通过一次试验同时测量直缝钢管3和螺旋缝钢管4的止裂韧性。

本实施例中，每两个直缝钢管3或每两个螺旋缝钢管4通过其各自端部错开角度A固定连接，即连接后的每两个相邻钢管中心轴线相互平行，每两个间隔钢管中心轴线在同一条直线上。优选地，角度A是30°；固定连接是自动埋弧焊或手工埋弧焊，且螺旋缝钢管4焊接过程中其螺旋缝与环焊缝相交位置处于钢管底部，避免钢管之间螺旋焊缝的对接（参见图4）。

本实施例中，直缝钢管3沿启裂管2至第一储气库101方向的钢管韧性依次递增；螺旋缝钢管4沿启裂管2至第二储气库102方向的钢管韧性依次递增；且启裂管2两侧相同距离部位处的直缝钢管3与螺旋缝钢管4韧性相同。例如，分别选取5个直缝钢管3（E₁、E₂、E₃、E₄及E₅）和5个螺旋缝钢管4（W₁、W₂、W₃、W₄及W₅），直缝钢管3沿启裂管2至第一储气库101方向的钢管韧性依次为：E₁=205J、E₂=245J、E₃=284J、E₄=322J及E₅=361J；则螺旋缝钢管4沿启裂管2至第二储气库102方向的钢管韧性也依次为：W₁=205J、W₂=245J、W₃=284J、W₄=322J及W₅=361J。其中，启裂管2一般选择韧性较低的直缝钢管，冲击韧性值约为100J。实际作业过程中，低韧性钢管的裂纹扩展阻力较小，而裂纹启裂后到达到最大扩展速度之前其扩展速度是逐渐增大的，因此选择较低韧性的启裂管2便于裂纹充分地扩展。

本实施例中，测量单元包括：压力传感器、热电偶及设置在直缝钢管3、螺旋缝钢管4外壁的计时线。实际作业过程中，储气库、启裂管、钢管通过压力传感器能够实现实时采集内部压力数值信号；储气库、启裂管、钢管通过热电偶能够实现实时采集内部气体与管壁的温度数值信号；钢管通过计时线能够实现实时获取裂纹的传输速度，进而获得裂纹扩展，优选地，每个钢管每隔1-5mm设置一条计时线；外界数据处理终端通过实时采集上述压力数值信号、温度数值信号及裂纹扩展，进而实现获得直缝钢管3、螺旋缝钢管4的止裂韧性数值。对于上述选取5个直缝钢管3和5个螺旋缝钢管4而言，可选取16个压力传感器用于测量过程中气体减压行为，即将2个压力传感器置于储气库两端封头处，启裂管2、最靠近启裂管2的直缝钢管3及最靠近启裂管2的螺旋缝管道4中各设置2个压力传感器，其余每根直缝钢管3、每根螺旋缝管道4安装一个压力传感器。优选地，参见图2或3，压力传感器安放角度与竖直方向成45°。

本实施例中，为便于直缝钢管3、螺旋缝钢管4以合理韧性递增方式进行排布，直缝钢管3、螺旋缝钢管4的韧性理论预测值可通过公式

作初步确定，如E₁(W₁)=1.05K_V、E₂(W₂)=1.25K_V、E₃(W₃)=1.45K_V、E₄(W₄)=1.65K_V、E₅(W₅)=1.85K_V。其中，K_V：钢管的冲击韧性，单位J；σ_h：钢管环向应力，单位MPa；D：钢管外径，单位mm；t：钢管壁厚，单位m；C₃为常数，3.57×10^-5。

本发明还提供了一种基于上述测量装置的测量方法，以支持本发明所要解决的技术问题，具体包括：

S501：对测量装置的安全性能进行检测；

采用X射线和超声波对测量装置进行无损检测，以确保环焊缝无超标缺陷存在；并对管道组中的钢管进行静水压实验，在实验压力保压22小时，观察管道组中的钢管有无泄漏情况发生。

S502：将测量装置埋于坑道内，在靠近储气库端部部位处通过锚固桩进行固定；

挖掘坑道，将测量装置埋在地下（坑道内）。优选地，测量装置中储气库101-1022可选择外径为1219mm、长度为220m的储气库；同时，靠近储气库101-102端部50m用钢筋混凝土锚固桩5固定。其中，止裂器1设置在距离锚固桩20m部位处。

S503：将测量装置通过信号传输线与外界数据处理终端连接，实现信号传递；

采用信号传输线（光纤或光缆）与外界数据处理终端连接，并调试外界数据处理终端，确保测量单元中的各仪器与外界数据处理终端正常工作。

S504：将液化天然气注入测量装置中，并通过气体压缩机进行加压；

将槽车运送的液化天然气注入到管道组中，使用4个高能量高压气体压缩机进行24小时加压；其中，天然气按照从底部到顶部顺序注入到管道组中，然后从测量装置的左端、中部和右端三个部位处取样进行气体成份分析，确保气体混合和压力均匀。

S505：对测量装置进行土壤回填，并引发测量装置中的引爆单元，通过外界数据处理终端实时采集测量装置中测量单元的数据测量信号。

选择一个500mm长的引爆单元（爆炸装置）安装在启裂管2上部中线的中心部位，采用土壤对测量装置进行回填，回填深度为1.2m～1.3m；当管道组加压至13.3MPa后，将爆炸装置引爆，即可实现裂纹沿着钢管上部中线迅速向两侧（钢管轴向方向）扩展。

本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法，在实际作业过程中，参见图6，裂纹在启裂管2启裂后迅速向两边扩展，速度逐渐增加，在即将进入E₁和W₁时，达到最大值。随后，裂纹扩展速度逐渐下降，在靠近第一储气库101的一端裂纹穿过E₁进入E₂时进入稳态扩展极端（裂纹扩展速度稳定），直至裂纹进入E₄，裂纹扩展速度明显呈逐渐下降趋势，裂纹在E₄扩展了约5m后停止扩展。在靠近第二储气库102的一端，裂纹进入W₁有较短距离的稳态扩展，随后裂纹扩展速度开始下降，并在W₂上扩展了约4.2m后停止扩展，最终根据图6所示测量参数计算可知X80直缝钢管3的止裂韧性为322J，X80螺旋缝钢管4的止裂韧性为245J。

本发明提供的一种用于管道止裂韧性测量的装置及其测量方法，通过将引爆单元置于启裂管上方中心部位处；将测量单元置于管道组中不同管道的不同部位处，用于获取所述管道组中不同管道的韧性测量参数；同时，测量单元通过信号传输线与外界数据处理终端进行数据信号的传递，实现了对管道中管道止裂韧性的准确测量，将第一管道组、第二管道组以启裂管为中心对称轴在启裂管两侧呈中心对称结构分布，实现了对第一管道组、第二管道组中的管道止裂韧性同时进行测量。且本发明还具有测量准确度高的特点。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于管道止裂韧性测量的装置，其特征在于，包括：第一储气库、第二储气库、至少三根直缝钢管、与所述直缝钢管数量相适配的螺旋缝钢管、止裂器、启裂管、用于所述启裂管和所述管道组中管道产生裂纹的引爆单元及用于获取所述管道组中管道止裂韧性测量参数的测量单元；

所述启裂管置于所述第一储气库、所述第二储气库之间，且所述第一储气库、所述第二储气库以所述启裂管为中心轴呈中心对称结构分布；

所述直缝钢管沿所述启裂管至所述第一储气库方向依次排列，且每两个所述直缝钢管之间通过其各自端部固定连接；所述第一储气库与所述直缝钢管之间设置有所述止裂器；

所述螺旋缝钢管沿所述启裂管至所述第二储气库方向依次排列，且每两个所述螺旋缝钢管之间通过其各自端部固定连接；所述第二储气库与所述螺旋缝钢管之间设置有所述止裂器；

所述直缝钢管沿所述启裂管至所述第一储气库方向的钢管韧性依次递增；所述螺旋缝钢管沿所述启裂管至所述第二储气库方向的钢管韧性依次递增；所述启裂管两侧相同距离部位处的所述直缝钢管与所述螺旋缝钢管韧性相同；

所述引爆单元置于所述启裂管上方中心部位处；所述测量单元置于所述钢管的不同部位处，用于获取所述钢管的韧性测量参数；所述测量单元能够实现与外界数据处理终端进行数据信号的传递。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

每根所述直缝钢管与其前一根直缝钢管的直焊缝错开角度A固定连接；

每根所述螺旋缝钢管其螺旋缝与环焊缝相交位置处于所述钢管底部；

每个所述钢管中心轴线相互平行。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述角度A是30°；所述固定连接是自动埋弧焊或手工埋弧焊焊接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述测量单元包括：

压力传感器、热电偶及设置在所述钢管外壁的计时线；

所述储气库、所述启裂管、所述钢管通过所述压力传感器能够实现实时采集内部压力数值信号；

所述储气库、所述启裂管、所述钢管通过所述热电偶能够实现实时采集内部气体与管壁的温度数值信号；

所述钢管通过所述计时线记录的信号，可实时获取裂纹通过钢管计时线所在位置时的时间，进而获得裂纹扩展的实时速度；

外界数据处理终端通过实时采集所述压力数值信号、所述温度数值信号及所述裂纹扩展速度，进而实现获得所述钢管的止裂韧性数值。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

每个所述钢管每隔1-5mm设置一条计时线。

6.一种基于权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于，包括：

对所述测量装置的安全性能进行检测；

将所述测量装置埋于坑道内，在靠近所述储气库端部部位处通过锚固桩进行固定；

将所述测量装置通过信号传输线与外界数据处理终端连接，实现信号传递；

将液化天然气注入所述装置中，并通过气体压缩机进行加压；

对所述测量装置进行土壤回填，并引发所述测量装置中的引爆单元，通过外界数据处理终端实时采集所述测量装置中测量单元的数据测量信号。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，对所述测量装置安全性能进行检测包括：

通过X射线和超声波对所述测量装置中的管道组焊缝异常进行检测；

通过静水压实验对所述测量装置中的管道组泄漏情况进行检测。