CN105466783A - 金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置及方法 - Google Patents

金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置及方法，该装置包括用于高压输气金属管、若干个时间探针单元和动态信号采集系统，在金属管中心管壁上安装有聚能切割器，所述时间探针单元缠绕在金属管上，每个时间探针单元和一个电阻元件串联成一个并联支路，稳压电源给每个并联支路供电，动态信号采集系统各通道分别采集每个并联支路中电阻元件的电压，动态信号采集系统输出端与计算机连接。本发明中时间探针单元与金属管壁紧密粘连，可确保管壁张开与时间探针的断开同步进行，提高试验数据的准确度；本发明的测试方法，通过利用断裂信号在电阻上呈现电压阶跃信号，测试方法安全可靠。

Description

金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测试装置，具体涉及一种金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置及方法。
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的裂缝形成及扩展的力学行为研究。
目前，BTC、HLP等计算模型是预测管道止裂韧性的常用方法。但这些计算模型对高等级钢、超高压力运行管道的止裂韧性预测存在缺陷。为确保长距离输气管道运行安全，需对所使用的金属管进行全尺寸爆破试验。研究表明，裂纹在高压气体作用下沿管壁扩展，同时裂口泄压也导致减压波在高压管中传播。通过测试裂纹在管壁上的扩展速度和气体减压波在管内的传播速度、观察裂纹的止裂位置，可对比分析确定金属管的止裂韧性。因此，设计合理的金属管裂纹扩展速度测试方法，是全尺寸爆破试验的关键问题之一。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置及方法，能够在管道气压爆破条件下准确测试到管壁裂纹的扩展速度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，包括用于高压输气金属管、若干个时间探针单元和动态信号采集系统，在金属管中心管壁上安装有聚能切割器，所述时间探针单元缠绕在金属管上，每个时间探针单元和一个电阻元件串联成一个并联支路，稳压电源给每个并联支路供电，动态信号采集系统各通道分别采集每个并联支路中电阻元件的电压，动态信号采集系统输出端与计算机连接。
作为优选，所述时间探针单元为直径0.2mm～0.8mm、长度为金属管外壁面周长的漆包铜线。
作为优选，所述时间探针单元中心位于初始裂纹所在的管壁母线上，时间探针单元绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。
作为优选，所述时间探针单元在管壁上的布置间距为0.25m～1.0m。
一种如所述的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试方法，包括以下步骤：
1)打磨除锈：用打磨机将安装时间探针单元处的金属管外壁面进行表面抛光除锈；
2)清洗：用酒精和纱布处理打磨过的管壁表面；
3)安装：将线型聚能切割器安装在金属管中心上，与金属管母线平行，将时间探针单元沿管壁安装位置缠绕金属管，然后用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间探针单元覆盖，使其与管壁紧密粘连；
4)时间探针单元的连接：每个时间探针单元的一端通过电阻元件与稳压电源的正极连接，另一端与稳压电源负极连接；动态信号采集系统各通道信号输入端分别与各电阻元件正极连接，接地端与各电阻元件负极连接；动态信号采集系统的数据输出端与计算机连接。
5)设初始裂缝尖端位置L0为0，初始裂缝位置时间探针单元形成电压阶跃信号的时刻t0为0；其余时间探针单元从初始裂缝开始依次标记为L1、L2、L3……Li，与其对应的计算机上形成电压阶跃信号的时间依次记为t1、t2、t3……ti，其中Li表示第i个时间探针单元到初始裂缝尖端的距离，ti表示裂纹传播到第i个时间探针单元的时间；则裂纹经过相邻时间探针单元的平均速度Vi＝(Li-Li-1)/(ti-ti-1)，其中i＝1、2、3……n；然后以位移[(Li-Li-1)/2+Li]为X轴和速度Vi为Y轴绘出距离-速度曲线，即可得到裂纹扩展到相应位置时所对应的裂纹扩展区间速度。
作为优选，所述步骤(3)中环氧树脂粘贴胶覆盖的宽度不小于1cm，厚度不小于3mm。
在本发明中，将时间探针单元、电阻元件和稳压电源连接成闭合回路，使用动态信号采集系统采集电阻元件的电压，利用时间探针单元通断状态的改变形成电压阶跃信号，以获得裂纹尖端的到达时间，由两个阶跃信号产生的时间差间接得到裂纹扩展区间速度。
在本发明中，综合考虑材料的力学、电学性能等因素，选择直径为0.2mm～0.8mm的漆包铜线作为时间探针单元，使其既有一定的动抗拉强度，以承受爆破冲击荷载作用，又能随管壁的裂开而同步断开；时间探针单元(时间线)的长度应等于金属管外壁面的周长，以确保可靠获得断裂信号，同时便于与测试装置的连接和自身的防护。根据高压高韧性金属管裂纹传播特性，试验时金属管裂纹从初始裂纹两端开始，沿金属管轴向扩展，当达到止裂条件时，扩展方向会发生偏转。为准确测试金属管裂纹各阶段的扩展速度，时间探针单元中心应位于初始裂纹所在的管壁母线上，对称中心点绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。由于高压高韧性金属管裂纹预估传播速度为100m/s～350m/s，为准确捕捉到裂纹速度的变化，时间探针单元布置的间隔宜取0.25m～1.0m。
有益效果：本发明的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，时间探针单元与金属管壁紧密粘连，可确保管壁张开与时间探针的断开同步进行，提高试验数据的准确度；本发明的测试方法，通过利用断裂信号在电阻上呈现电压阶跃信号，测试方法安全可靠。
附图说明
图1是本发明测试装置连接示意图。
图2是本发明电路设计示意图。
图3是本发明时间探针单元安装位置示意图。
图4是本发明时间探针单元安装间距示意图。
图5是本发明的动态信号采集系统上显示波形图。
图6是本发明的裂纹速度-距离曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图4所示，本发明的一种金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，包括用于高压输气金属管1、若干个时间探针单元2和动态信号采集系统5，在金属管1中心管壁上安装有聚能切割器7，所述时间探针单元2缠绕在金属管1上，每个时间探针单元2和一个电阻元件4串联成一个并联支路，稳压电源8给每个并联支路供电，动态信号采集系统5各通道分别采集每个并联支路中电阻元件5的电压，动态信号采集系统5输出端与计算机6连接。
在本发明中，针对X90金属管开展气压爆破试验，试验金属管1外径为1219mm、壁厚为16.3mm、长度为10.4m、屈服强度为670MPa、夏比冲击能量为294J、内压为12Mpa。试验步骤如下：
步骤一：时间探针单元2选择。时间探针单元2选择直径0.4mm的漆包铜线；其长度取3.8m约等于金属管1外壁面的周长。
步骤二：时间探针单元2设置位置及间距。如图1所示，时间探针单元2中心位于初始裂纹3所在的管壁母线上，时间探针单元2绕金属管1截面180°安装在金属管1外壁面上，垂直于管壁母线，如图3所示。金属管1在起裂和止裂位置的裂纹扩展速度较小，为准确捕捉到裂纹速度的变化，起裂和止裂位置时间探针单元2的布置间距取0.25m；金属管1其余位置时间探针单元2的布置间距取0.5m。
步骤三：时间探针单元2安装与连接。时间探针单元2安装与连接需按以下顺序进行：
1)打磨除锈。用打磨机将安装时间探针单元2处的金属管1外壁面进行表面抛光除锈。
2)清洗。用酒精和纱布处理打磨过的管壁表面。
3)安装。将时间探针单元2沿管壁安装位置缠绕金属管1，然后用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间探针单元2覆盖，使其与管壁紧密粘连。为确保粘贴强度，环氧树脂粘贴胶覆盖的宽度为1.5m，厚度不小于3mm。
4)时间探针单元2的连接。如图1所示，每个时间探针单元2的a端分别通过电阻元件4(100Ω)与稳压电源8(2V)正极连接，b端与稳压电源8负极连接；动态信号采集系统5各通道信号输入端分别与各电阻元件4正极连接，接地端与各电阻元件2负极连接；动态信号采集系统5的数据输出端与计算机6连接。
步骤四：裂纹速度的测定。打开动态信号采集系统5和计算机6；起爆线型聚能切割器7，在金属管1几何中心上引入初始裂缝3；裂纹在高压气体作用下，从初始裂缝3两端开始沿金属管1轴向直线扩展，并依次切断金属管1上的时间探针单元2，每个时间探针单元2的断裂信号经信号电缆传输和被动态信号采集系统5采集，呈现一个电压阶跃信号。
步骤五：裂纹区间速度的获得。设初始裂缝3尖端位置L0为0，初始裂缝3位置时间探针单元2形成电压阶跃信号的时刻t0为0；其余时间探针单元2从初始裂缝3开始依次标记为L1、L2、L3……Li，与其对应的计算机6上形成电压阶跃信号的时间依次记为t1、t2、t3……ti，其中Li表示第i个时间探针单元2到初始裂缝3尖端的距离，ti表示裂纹传播到第i个时间探针单元2的时间；则裂纹经过相邻时间探针单元2的平均速度Vi＝(Li-Li-1)/(ti-ti-1),其中i＝1、2、3……n；然后以位移[(Li-Li-1)/2+Li]为X轴和速度Vi为Y轴绘出距离-速度曲线，即可得到裂纹扩展到相应位置时所对应的裂纹扩展区间速度，如图6所示。
实施效果：如图5所示，时间探针单元2断裂前，对应的电阻元件4两端输出电压为1.8V；裂纹切断时间探针单元2时，对应的电阻元件4两端输出电压发生变化，从1.8V迅速下降到0.15V，在计算机6中呈现一个阶跃信号，两个阶跃信号形成时间差即为裂纹经过对应的两个时间探针单元2的时间。
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 (6)

1.一种金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，其特征在于：包括用于高压输气金属管、若干个时间探针单元和动态信号采集系统，在金属管中心管壁上安装有聚能切割器，所述时间探针单元缠绕在金属管上，每个时间探针单元和一个电阻元件串联成一个并联支路，稳压电源给每个并联支路供电，动态信号采集系统各通道分别采集每个并联支路中电阻元件的电压，动态信号采集系统输出端与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，其特征在于：所述时间探针单元为直径0.2mm～0.8mm、长度为金属管外壁面周长的漆包铜线。
3.根据权利要求2所述的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，其特征在于：所述时间探针单元中心位于初始裂纹所在的管壁母线上，时间探针单元绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。
4.根据权利要求3所述的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，其特征在于：所述时间探针单元在管壁上的布置间距为0.25m～1.0m。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)打磨除锈：用打磨机将安装时间探针单元处的金属管外壁面进行表面抛光除锈；
2)清洗：用酒精和纱布处理打磨过的管壁表面；
3)安装：将线型聚能切割器安装在金属管中心上，与金属管母线平行，将时间探针单元沿管壁安装位置缠绕金属管，然后用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间探针单元覆盖，使其与管壁紧密粘连。
4)时间探针单元的连接：每个时间探针单元的一端通过电阻元件与稳压电源的正极连接，另一端与稳压电源负极连接；动态信号采集系统各通道信号输入端分别与各电阻元件正极连接，接地端与各电阻元件负极连接；动态信号采集系统的数据输出端与计算机连接。
5)设初始裂缝尖端位置L0为0，初始裂缝位置时间探针单元形成电压阶跃信号的时刻t0为0；其余时间探针单元从初始裂缝开始依次标记为L1、L2、L3……Li，与其对应的计算机上形成电压阶跃信号的时间依次记为t1、t2、t3……ti，其中Li表示第i个时间探针单元到初始裂缝尖端的距离，ti表示裂纹传播到第i个时间探针单元的时间；则裂纹经过相邻时间探针单元的平均速度Vi＝(Li-Li-1)/(ti-ti-1)，其中i＝1、2、3……n；然后以位移[(Li-Li-1)/2+Li]为X轴和速度Vi为Y轴绘出距离-速度曲线，即可得到裂纹扩展到相应位置时所对应的裂纹扩展区间速度。
6.根据权利要求5所述的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中环氧树脂粘贴胶覆盖的宽度不小于1cm，厚度不小于3mm。
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