CN105277416B - 一种金属管管壁尖端裂缝起裂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管管壁尖端裂缝起裂装置及方法，该装置包括位于管壁中心位置的切割装置、沿切割装置对称分布的止裂装置和分布在管壁上的若干个传感器，所述切割装置通过炸高器固定在管壁上，切割装置包含壳体、位于壳体顶部的扩爆药、位于壳体内部的主装药和药型罩，所述壳体的两侧均设置在L型支撑板上，所述炸高器包含支撑件、固定支架和调节旋钮，L型支撑板通过调节旋钮与支撑件连接，支撑件与固定支架连接，在药型罩的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件。本发明的装置，通过切割装置在药型罩中形成金属射流，在金属管管壁上形成裂纹，通过炸高器可以精确的调整切割装置的位置，形成符合试验要求的裂纹。

Description

一种金属管管壁尖端裂缝起裂装置及方法

技术领域

本发明涉及金属管管壁尖端裂缝起裂装置及方法，属于气体液体高压管道输送工程的技术与安全领域。

背景技术

高压输气管道在运行过程中，因管内压力变化、管道材料疲劳或受损，以及外部作用等原因，导致管道在某处产生管壁裂纹进而出现长距离扩展，不仅会造成严重经济损失和环境污染，还将形成地面人员伤亡、建筑物及设施破坏受损等灾难性事故。因此，为尽量减小损失、加快事故发生后的抢修进程，国内外广泛开展了大口径高压金属管道的裂缝形成及扩展的力学行为研究。

金属管爆破试验的重要环节之一是，当管内压力达到设定高压值时在管壁确定位置处适时引入初始裂缝。目前关于初始裂缝的引入主要有机械切割预制和聚能切割预制两种，前者形成的初始裂缝与真实裂缝存在较大差距，且需考虑金属管充压过程中的密封问题，增加了实验难度和危险系数，而目前公开的的聚能切割预制方法中，由于保密原因，关于聚能切割装置切割高压金属管的步骤及切割装置材料、结构等参数均为定性描述，缺乏联系金属管材料结构等因素的定量研究，难以确保在实际试验中的成功率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种金属管管壁尖端裂缝起裂装置及方法，通过切割装置在药型罩中形成金属射流，在金属管管壁上形成裂纹，通过炸高器可以精确的调整切割装置的位置，形成符合试验要求的裂纹。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种金属管管壁尖端裂缝起裂装置，包括位于管壁中心位置的切割装置、沿切割装置对称分布的止裂装置和分布在管壁上的若干个传感器，所述切割装置通过炸高器固定在管壁上，切割装置包含壳体、位于壳体顶部的扩爆药、位于壳体内部的主装药和药型罩，所述壳体的两侧均设有L型支撑板上，所述炸高器包含支撑件、调节旋钮和伸缩件，L型支撑板通过调节旋钮与支撑件连接，支撑件与固定支架连接，在药型罩的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件。

作为优选，所述金属管与加压装置连通，所述加压装置包含将高压气体输送到金属管的高压气体输送管、第一空气压缩装置、第二空气压缩装置和第三空气压缩装置，所述高压气体输送管通过一级阀与金属管连通，所述第一空气压缩装置安装在高压气体输送管上，所述高压气体输送管末端设有三通转换器，三通转换器分别与第二空气压缩装置和第三空气压缩装置连接。

作为优选，所述药型罩包含线型主体和位于线型主体两端的 “船”型端部，药型罩为铅锑合金制成，药型罩线型段为楔形变壁厚金属药型罩，船型段为夹角型变壁厚金属药型罩，其在传统线型药性罩基础上增加的“船”型端部用以形成具有一定初始角度的楔形裂纹尖端，可避免由端部效应形成平头尖端，确保金属管在高压气体作用下顺利起裂。

作为优选，所述壳体包含线型主体和位于线型主体两端的 “船”型端部，壳体线型段为长方体等壁厚壳体，船型段为夹角型等壁厚壳体。

作为优选，所述传感器距金属管管壁上部顶端距离大于1.5m。

一种上述的金属管管壁尖端裂缝起裂装置的起裂方法，包括以下步骤：

（1）根据试验要求和高压金属管的材料及壁厚参数，以及裂缝的走向、长度、宽度参数，确定爆破试验的管壁裂缝起裂位置；

（2）选择合适的切割装置，以及相适应的扩爆药和电雷管并确定炸高器炸高参数；

（3）高压金属管表面处理，作出裂缝起裂位置的标记，安装固定支架，连接加压装置；

（4）采用第一空气压缩装置加压，按1MPa作为台阶值、暂停加压15分钟，加压至2Mpa，由于后续还要进行敷设线路等操作，因此若一开始安装切割装置会增大试验的安全隐患，同时影响安全进度， 2MPa时气体加压基本趋于稳定，此时设置切割器相对安全，后续的线路敷设工作完成后即撤离人员可最大限度的保证试验安全,安装切割装置和炸高器，装填扩爆药和电雷管，并短接电雷管；

（5）设置起爆站和起爆电缆线，根据试验进程连接电缆线和电雷管；

（6）采用第一空气压缩装置加压，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa，然后采用B和第三空气压缩装置加压，当管内压力小于等于8MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa；当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到目标压力值；

（7）测试人员撤出安全距离以外，引爆切割装置完成裂缝起裂。

在本发明中,所述止裂装置有两种，均为带状结构，分别由玻璃纤维和碳纤维制成，具有高强度、高韧性的特点，试验中将两类止裂器用环氧树脂均匀缠绕在切割装置两侧，同一侧于距切割装置3m，8m处各缠一道相同材料的止裂装置，以制止金属管在高压气体作用下的裂纹扩展过程。试验中传感器包括管内压力传感器、管内热电耦传感器、管外时间探针单元和应变计，用于测试金属管在裂纹扩展过程中的压力、温度、速度、应变等参数。所述切割装置通过炸高器固定在管壁上，切割装置包含壳体、位于壳体顶部的扩爆药、位于壳体内部的主装药和药型罩，所述壳体的两侧均设设置在型支撑板上，所述炸高器包含支撑件、固定支架和调节旋钮，金属管充压前，根据切割装置切割能力和金属管材料、结构参数设定最佳炸高，通过调节旋钮调整至相应高度，以确保在金属管表面形成适宜的均匀细长裂纹，L型支撑板通过调节旋钮与支撑件连接，支撑件与固定支架连接，在药型罩的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件。所述切割装置为独立设计的新型装置，能形成与金属管轴线呈不同角度夹角的尖端裂缝，有利于试验人员的灵活应用和使用安全，可适应不同的高压输气金属管试验要求。

附图说明

图1为本发明的布局示意图；

图2为本发明中切割装置的剖视图；

图3为本发明中切割装置的安装示意图；

图4为本发明中加压装置的结构示意图；

图5为本发明中药型罩的结构示意图；

图6为本发明中壳体的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明的一种金属管1管壁尖端裂缝起裂装置，包括位于管壁中心位置的切割装置2、沿切割装置2对称分布的止裂装置3和分布在管壁上的若干个传感器4，所述切割装置2通过炸高器固定在管壁上，切割装置2包含壳体6、位于壳体6顶部的扩爆药5、位于壳体6内部的主装药7和药型罩8，所述壳体6的两侧均设有L型支撑板，所述炸高器包含支撑件10、固定支架12和调节旋钮9，L型支撑板通过调节旋钮9与支撑件10上，支撑件10与固定支架12连接，所述药型罩8截面形状为“∧”，在药型罩8的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件11。

如图4所示，所述金属管1与加压装置连通，所述加压装置包含将高压气体输送到金属管1的高压气体输送管、第一空气压缩装置、第二空气压缩装置和第三空气压缩装置，所述高压气体输送管通过一级阀19与金属管1连通，所述第一空气压缩装置安装在高压气体输送管上，所述高压气体输送管末端设有三通转换器20，三通转换器20分别与第二空气压缩装置和第三空气压缩装置连接。如图5所示，药型罩8包含线型主体和两个“船”型端部，药型罩8为铅锑合金制成。所述传感器4距金属管1管壁上部顶端距离大于1.5m。

如图4所示，所述第一空气压缩装置包括第一二级阀17、第一转换接头21和第一输气管18，所述第一输气管18通过第一转换接头21与第一二级阀17连接，第一二级阀17将第一输气管18与高压气体输送管连通。所述第二空气压缩装置包括第二二级阀13、第二转换接头和第二输气管14，所述第二输气管14通过第二转换接头与第二二级阀13连接，第二二级阀13将第二输气管14与三通转换器20连通。所述第三空气压缩装置包括第三二级阀15、第三转换接头和第三输气管16，所述第三输气管16通过第三转换接头与第三二级阀15连接，第三二级阀15将第三输气管16与三通转换器20连通。

实施例1:

（1）如图1，针对X70金属管开展气压爆破试验。试验金属管1的长度10.5m，壁厚1.46cm，口径1.016m。根据试验要求和高压金属管的材料及壁厚参数，确定沿金属管轴向形成的管壁裂缝参数应满足长30cm、宽3mm和裂缝尖端角10°，爆破试验的管壁裂缝起裂位置如图1所示，切割装置2位于测试段中心金属管1管壁上部表面，距最近的传感器4距离大于1.5m；

（2）选择截面如图2所示的线型聚能切割装置，该装置由线型聚能切割器和可调节炸高器两个组元组成；切割器组元包括药型罩8、扩爆药5、主装药7、外壳6三部分，炸高器组元包括支撑件9、调节旋钮10、伸缩件11三部分；药型罩8与壳体6相连，由一个线型主体部分（线型段）和两个“船”型端部（船型段）构成，均选用铅锑合金制成。药型罩线型段为楔形变壁厚金属药型罩，船型段为夹角型变壁厚金属药型罩，线型段药型罩底部口宽22.5mm，开口角度110°，母线长度15 mm，船型段长度18cm，开口角度64°，线型段和船型段顶部厚度0.8mm，底部厚度1.6mm。壳体6线型段为长方体等壁厚壳体，船型段为夹角型等壁厚壳体，壳体6壁厚1.6mm，采用铸装装药8701作为主装药7，主装药7高度1cm，切割器轴向长度30cm；炸高器纵向可调节范围1~10cm，横向可调节范围0~5cm;采用特屈儿作为扩爆药5，并用8#电雷管进行有线电起爆，设置固定炸高为1.3cm；

（3）根据试验要求，采用两点同步起爆方式，起爆点设置在切割装置两端扩爆药室5处；

（4）如图3，采用底端曲率半径为1m的固定支架3固定切割装置；金属管4充压前，对管壁进行打磨除锈和干燥化、清洁等预处理，以保证固定支架紧贴管壁并牢固连接，

（5）采用第一空气压缩装置加压，按1MPa作为台阶值、暂停加压15分钟，加压至2Mpa后，安装切割装置和炸高器，装填扩爆药和电雷管，并短接电雷管，组装切割装置，装填扩爆药和电雷管，并短接电雷管；

（6）沿金属管长度方向200m处构筑点火站，敷设起爆网络，并连接电雷管，起爆网路导通检测无误后，短接起爆线，并采取其他保护措施；

（7）采用第一空气压缩装置加压，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa，然后采用第二和第三空气压缩装置加压，当管内压力小于等于8MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa；当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到10Mpa；

（8）当管内压力达到10Mpa时，测试人员撤出安全距离以外，引爆切割装置完成裂缝起裂。

实施效果：参阅图1，线型聚能切割装置起爆后，金属管表面瞬时形成初始裂缝，初始裂缝长31.5cm，两端成楔形，裂缝中间段形成圆形翻唇，此后，由于高压气体载荷的强冲击，裂缝沿轴向迅速扩展，在止裂装置3的作用下，裂缝扩展过程受阻并逐渐中止，传感器未受到切割装置爆炸产物的冲击作用，信号采集正常。

实施例2:

（1）如图1，针对X90金属管开展气压爆破试验。金属管长度31.7m，壁厚1.63cm，口径1.219m，根据试验要求和高压金属管的材料及壁厚参数，确定沿金属管轴向形成的管壁裂缝参数应满足长50cm、宽4mm和裂纹尖端角10.8°，爆破试验的管壁裂缝起裂位置如图1所示，位于测试段中心金属管管壁上部表面，距最近的传感器距离大于1.5m；

（2）选择截面如图2所示的线型聚能切割装置，该装置由线型聚能切割器和可调节炸高器两个组元组成；切割器组元包括药型罩8、扩爆药5，7、外壳6三部分，炸高器组元包括支撑件9、调节旋钮10、伸缩件11三部分；药型罩与壳体相连，由一个线型主体部分（线型段）和两个“船”型端部（船型段）构成，均选用铅锑合金制成，药型罩线型段为楔形变壁厚金属药型罩，船型段为夹角型变壁厚金属药型罩，线型段药型罩底部口宽27mm，开口角度110°，母线长度19mm，船型段长度21mm，开口角度65.5°，线型段和船型段顶部厚度1mm，底部厚度2mm。壳体6线型段为长方体等壁厚壳体，船型段为夹角型等壁厚壳体，壳体6壁厚2mm，采用铸装装药8701作为主装药7，主装药7高度1.9cm，切割器轴向长度50cm；炸高器纵向可调节范围1~10cm，横向可调节范围0~5cm;采用特曲儿作为扩爆药5，并用8#电雷管进行无线电起爆，设置固定炸高为1.5cm；

（3）根据试验要求，采用中点起爆方式，起爆点设置在切割装置中间扩爆药室5处；

（4）如图3，采用底端曲率半径为1.2m的固定支架12固定切割装置；金属管1充压前，对管壁进行打磨除锈和干燥化、清洁等预处理，以保证固定支架12紧贴管壁1并牢固连接；

（5）采用第一空气压缩装置加压，按1MPa作为台阶值、暂停加压15分钟，加压至2Mpa；当管内压力大于2MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa后，组装切割装置，装填扩爆药和电雷管，连接电雷管和信号接收装置，并做好保护措施；

（5）沿金属管长度方向400m处构筑点火站；

（6）采用第二和第三空气压缩装置加压，当管内压力小于等于8MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa；当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到12 MPa后，测试人员撤出安全距离以外，引爆切割装置完成裂缝起裂。

实施效果：参阅图1，线型聚能切割装置起爆后，金属管表面瞬时形成初始裂缝，初始裂缝长50.7cm，两端成楔形，此后，由于高压气体载荷的强冲击，裂缝沿轴向迅速扩展，金属管被剧烈撕开，在止裂装置3的作用下，裂缝扩展过程受阻并逐渐中止，传感器未受到切割装置爆炸产物的冲击作用，信号采集正常。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种金属管管壁尖端裂缝起裂装置的起裂方法，该装置包括位于管壁中心位置的切割装置、沿切割装置对称分布的止裂装置和分布在管壁上的若干个传感器，所述切割装置通过炸高器固定在管壁上，切割装置包含壳体、位于壳体顶部的扩爆药、位于壳体内部的主装药和药型罩，所述壳体的两侧均设有L型支撑板上，所述炸高器包含支撑件、调节旋钮和伸缩件，L型支撑板通过调节旋钮与支撑件连接，支撑件与固定支架连接，在药型罩的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件；所述金属管与加压装置连通，所述加压装置包含将高压气体输送到金属管的高压气体输送管、第一空气压缩装置、第二空气压缩装置和第三空气压缩装置，所述高压气体输送管通过一级阀与金属管连通，所述第一空气压缩装置安装在高压气体输送管上，所述高压气体输送管末端设有三通转换器，三通转换器分别与第二空气压缩装置和第三空气压缩装置连接；所述传感器距切割装置距离大于1.5m，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据试验要求和高压金属管的材料及壁厚参数，以及裂缝的走向、长度、宽度参数，确定爆破试验的管壁裂缝起裂位置；

（2）选择合适的切割装置，以及相适应的扩爆药和电雷管并确定炸高器炸高参数；

（3）高压金属管表面处理，作出裂缝起裂位置的标记，安装固定支架，连接加压装置；

（4）采用第一空气压缩装置加压，按1MPa作为台阶值、暂停加压15分钟，加压至2Mpa，安装切割装置和炸高器，装填扩爆药和电雷管，并短接电雷管；

（5）设置起爆站和起爆电缆线，根据试验进程连接电缆线和电雷管；

（6）采用第一空气压缩装置加压，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa，然后采用B和第三空气压缩装置加压，当管内压力小于等于8MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa；当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到目标压力值；

（7）测试人员撤出安全距离以外，引爆切割装置完成裂缝起裂。

2.根据权利要求1所述的金属管管壁尖端裂缝起裂装置的起裂方法，其特征在于：所述药型罩包含线型主体和位于线型主体两端的 “船”型端部，药型罩为铅锑合金制成，药型罩线型段为楔形变壁厚金属药型罩，船型段为夹角型变壁厚金属药型罩。

3.根据权利要求2所述的金属管管壁尖端裂缝起裂装置的起裂方法，其特征在于：所述壳体包含线型主体和位于线型主体两端的 “船”型端部，壳体线型段为长方体等壁厚壳体，船型段为夹角型等壁厚壳体。