CN105466784A - 用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法，该装置包括金属管、时间探针单元和将动态信号采集系统，所述金属管的两端安装有封闭金属管的堵头，在金属管管壁上安装有若干个时间探针单元，在金属管的中心安装有初始裂缝引入装置，在金属管一端安装有压力传感器，在金属管另一端安装有温度传感器；在地面上设有若干个自由场压力传感器和地面振动传感器，若干个时间探针单元、温度传感器、压力传感器和地面振动传感器分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接。本发明通过小模型测试高压输气金属管气压爆破各种力学性能，对全尺寸的原型进行指导，节约人力物力，也提高了安全性。

Description

用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法，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。研究表明，结构性止裂控制是输气金属管道延性止裂的有效控制方法，而高压金属管爆破试验是研究结构性止裂控制的重要手段。

高压输气管道气压爆破全尺寸原型试验需耗费大量的人力、物力和财力，且对试验环境和场地的要求非常严格和苛刻，试验一旦失误将造成重大损失。为确保全尺寸原型试验的成功、降低试验成本，应开展基于原型试验的小规模模型试验。本发明提出模型试验的方法和流程，针对相关动态参数进行试验测试，获得的管内减压波、裂纹起裂与扩展，以及管外冲击波压力场、管外地震波振动场等参量测试和形成的测试方法与步骤，对于模型试验设计提供一种重要方法，对原型试验设计和结果分析也具有参考作用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法，通过小模型测试金属管气压爆破各种力学性能，对全尺寸的原型进行指导，节约人力物力，也提高了安全性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，包括金属管、时间探针单元和将动态信号采集系统，所述金属管的两端安装有封闭金属管的堵头，在金属管管壁上安装有若干个时间探针单元，在金属管的中心安装有初始裂缝引入装置，在金属管一端安装有压力传感器，在金属管另一端安装有温度传感器，金属管还与加压系统连接；在地面上设有若干个自由场压力传感器和地面振动传感器，在垂直金属管轴线方向上安装有高速摄影机，若干个时间探针单元、温度传感器、压力传感器和地面振动传感器分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接，若干个自由场压力传感器通过低噪声同轴电缆与动态信号采集系统连接，动态信号采集系统输出端与计算机连接。

作为优选，所述金属管位于地面上的管槽内，管槽通过两端的钢筋混泥土锚固器将金属管固定，在管槽两侧地面上设有两组摩擦桩，柔性索缠绕金属管，柔性索的两端分别固定在金属管两侧的摩擦桩上。

作为优选，在安装压力传感器的金属管截面外壁布置8个应变片，8个应变片分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接。

作为优选，所述8个应变片沿金属管截面的22.5°、45°、90°、135°、225°、270°、315°、337.5°分布，其中正对金属管顶部为0°，顺时针增大。

作为优选，所述自由场压力传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置。

作为优选，所述地面振动传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置。

作为优选，所述温度传感器位于金属管长度1/3处，压力传感器位于金属管长度1/4处，压力传感器安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置。

作为优选，所述初始裂缝引入装置引入的初始裂纹长度必须大于2c，其中：

$c=\frac{1000\mathrm{\π}E\left(\frac{C_v}{A_c}\right)}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^2\×ln\[\sec \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{M_t{\mathrm{\σ}}_h}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)\]}$

$M_t=\sqrt{1+1.61{\left(\frac{c}{\sqrt{Rt}}\right)}^2}$

式中A_c为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8×10^-5m²；C_v为管材夏比冲击吸收功，单位J；c为初始裂缝长度的一半，单位mm；E为管材杨氏模量，单位Pa；σ_o为金属管的流变应力、金属管屈服应力σ_s和拉伸强度σ_t的平均值，单位Pa；σ_h为金属管的环向应力，单位Pa；M_t为膨胀因子；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm。

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，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，时间探针单元在管壁上的布置间距为D/3～D，D为金属管直径，所述时间探针单元沿管壁用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间探针单元覆盖。

一种如上述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验方法，包括以下步骤；

(1)选择合适的金属管韧性：金属管的韧性值范围可通过下式计算：C_v＝k×σ_h ²(Rt)^1/3，式中C_v为金属管夏比冲击吸收功，单位J；σ_h为金属管环向应力，单位MPa；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm；k为常数，3.57×10^-5。为实现裂纹长距离扩展，试验金属管的韧性应小于C_v；

(2)确定金属管的管内目标压力：管内目标压力可根据下式进行核算确定：式中P为管内目标压力，单位MPa；σ_s为金属管屈服应力，单位MPa；l为管内压力设计系数，取0.68～0.8；t为金属管壁厚，单位m；R为金属管半径，单位m；

(3)确定金属管初始裂纹长度：初始裂缝的长度通过以下公式得出：

$c=\frac{1000\mathrm{\π}E\left(\frac{C_v}{A_c}\right)}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^2\×ln\[\sec \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{M_t{\mathrm{\σ}}_h}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)\]}$

$M_t=\sqrt{1+1.61{\left(\frac{c}{\sqrt{Rt}}\right)}^2}$

式中A_c为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8×10^-5m²；C_v为管材夏比冲击吸收功，单位J；c为初始裂缝长度的一半，单位mm；E为管材杨氏模量，单位Pa；σ_o为金属管的流变应力、金属管屈服应力σ_s和拉伸强度σ_t的平均值，单位Pa；σ_h为金属管的环向应力，单位Pa；M_t为膨胀因子；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm，为实现裂纹的扩展，引入初始裂缝的长度必须大于2c；

(4)安装试验系统：将应变片、压力传感器、温度传感器、时间探测单元安装在金属管上，金属管两端焊接上堵头，将金属管放置在管槽内固定，合理布置自由场压力传感器和地面振动传感器，连接动态信号采集系统和计算机；

(5)选择试验内容，进行相应的试验。

在本发明中，金属管气压爆破试验具有产生强冲击与振动荷载等特性，为防止金属管出现脆性断裂现象，试验金属管需具有一定强度和韧性。因此，试验金属管应选择含碳量适中，强度、塑性和焊接等综合性能较好的无缝钢管。为便于模型试验的实施，同时考虑相关动态参数获取所需的条件，试验选用金属管的管径宜为0.3～0.6m，长度宜为3～10m，壁厚宜为8～12mm。试验温度对管材的止裂韧性有较大影响，随着温度的升高管材的韧性相应增加。温度过高金属管易发生止裂，过低则出现脆断。根据材料韧脆转换特性，试验的温度宜为10℃～30℃。

在本发明中，所述堵头厚度为1～1.5倍所述金属管壁厚，并通过焊接方式与所述金属管内壁连接；所述堵头外壁焊接井字型加强筋，同时与所述金属管内壁焊接。

为测试相关动态参数需在金属管上设置时间探针单元、压力传感器、温度传感器、应变片，以及管外的自由场空气压力、地面振动传感器和高速摄影仪等测试单元，并通过高频信号传输电缆与动态信号采集系统进行连接，从而构建一个多通道高频动态信号测试系统。

在本发明中，加压系统包括空气压缩装置、加压与泄压状态转换装置、高压输气管单元以及实时压力监控单元组成。加压与泄压状态转换装置安装在距金属管道端部0.3～0.5m位置处；空气压缩装置设置在距金属管100～150倍管径范围内；实时压力监控单元安装在空气压缩装置上；空气压缩装置通过高压输气管单元与金属管连接。

在本发明中，管槽在试验地域的岩土介质中开挖而成，主要用于设置和约束试验管道，其尺寸由试验管道的直径、长度等确定；锚固器由钢筋混凝土浇筑而成，设置在金属管两端，用于限制金属管在泄压过程的轴向运动；摩擦桩-柔性索由钢筋混凝土桩(金属管)和柔性钢索组合而成，在金属管外侧沿金属管轴向按一定间隔设置。

有益效果：本发明的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，通过堵头保证了金属管内的封闭性，通过时间探针单元测试裂纹的传播速度，通过压力传感器测试加压过程管内压力和爆破过程中管内减压波传播规律，可以测试高压金属管气压爆破过程中各种力学参数，为全尺寸的实验提供参考；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。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明金属管端部封堵方式示意图。

图3是本发明应变片安装截面位置示意图。

图4是本发明金属管约束固定示意图。

图5是本发明金属管管壁应变时程曲线。

图6是本发明金属管泄压过程压力时程曲线。

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，本发明的一种用于高压输气金属管1气压爆破试验的模型试验装置，包括金属管1、时间探针单元18和将动态信号采集系统19，所述金属管1的两端安装有封闭金属管1的堵头5，在金属管1管壁上安装有若干个时间探针单元18，在金属管1的中心安装有初始裂缝引入装置21，在金属管1一端安装有压力传感器2，在金属管1另一端安装有温度传感器3，金属管1还与加压系统连接；在地面上设有若干个自由场压力传感器8和地面振动传感器9，在垂直金属管1轴线方向上安装有高速摄影机10，若干个时间探针单元18、温度传感器3、压力传感器2、若干个自由场压力传感器8和地面振动传感器9分别通过信号屏蔽电缆17与动态信号采集系统19连接，动态信号采集系统19输出端与计算机20连接。

如图4所示，所述金属管1位于地面的管槽11内，管槽11通过两端的钢筋混泥土锚固器12将金属管1固定，在固定台上设有两组摩擦桩13，柔性索缠绕金属管1，柔性索的两端分别固定在金属管1两侧的摩擦桩13上。

如图3所示，在安装压力传感器2的金属管1截面外壁布置8个应变片7，8个应变片7分别通过信号屏蔽电缆17与动态信号采集系统19连接，所述8个应变片7沿金属管1截面的22.5°、45°、90°、135°、225°、270°、315°、337.5°分布，其中正对金属管顶部为0°，顺时针增大。

在本发明中，所述自由场压力传感器8有六个，分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置，所述地面振动传感器9有六个，分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置。所述温度传感器3位于金属管1长度1/3处，压力传感器2位于金属管1长度1/4处，压力传感器2安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置。

(1)选择金属管参数

选择的试验金属管1为无缝钢管，其长度为3m、直径为0.4m、壁厚为10mm，材质为Q235、杨氏模量E为210GPa、屈服强度σ_s为235MPa、抗拉强度为380MPa。管内目标压力设计系数取0.7，即金属管的环向应力σ_h＝0.7σ_s，通过止裂韧性理论预测公式C_v＝k×σ_h ²(Rt)^1/3，式中C_v为金属管夏比冲击吸收功，单位J；σ_h为金属管环向应力，单位MPa；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm；k为常数，k＝3.57×10^-5，计算得到金属管的韧性应小于12J，因此，选择韧性为10J的金属管1进行试验。

(2)确定试验管的管内目标压力、温度、初始裂缝长度

管内压力设计系数为0.7，由公式式中P为管内目标压力，单位MPa；σ_s为金属管屈服应力，单位MPa；l为管内压力设计系数，取0.68～0.8；t为金属管壁厚，单位m；R为金属管半径，单位m，计算得到试验的目标压力为8.2MPa。

试验金属管1的目标温度定为10℃～30℃，当管内温度处于上述范围之内即可进行爆破。

根据以下公式计算可得c等于13cm，因此初始裂缝的长度应大于2c，最终确定初始裂缝的长度为28cm。

$c=\frac{1000\mathrm{\π}E\left(\frac{C_v}{A_c}\right)}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^2\×ln\[\sec \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{M_t{\mathrm{\σ}}_h}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)\]}$

$M_t=\sqrt{1+1.61{\left(\frac{c}{\sqrt{Rt}}\right)}^2}$

式中A_c为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8×10^-5m²；C_v为管材夏比冲击吸收功，单位J；c为初始裂缝长度的一半，单位mm；E为管材杨氏模量，单位Pa；σ_o为金属管的流变应力、金属管屈服应力σ_s和拉伸强度σ_t的平均值，单位Pa；σ_h为金属管的环向应力，单位Pa；M_t为膨胀因子；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm，为实现裂纹的扩展，引入初始裂缝的长度必须大于2c。

(3)模型试验安装

1)压力传感器2、温度传感器3和加压与泄压转换装置4安装螺母的焊接

如图1所示，在距离金属管1中心左侧0.25倍管长的截面位置加工一个直径3cm的压力传感器2安装孔；在距离金属管1中心右侧1/3倍管长的截面位置安装一个直径3.5cm的温度传感器3安装孔；在距离金属管1左侧端部30cm的截面90°位置加工一个直径为2.5cm的加压与泄压转换装置4安装孔。安装孔加工完成后，分别在相对应的孔上焊接压力传感器2、温度传感器3和加压与泄压转换装置4安装螺母。

2)金属管堵头5焊接

如图3所示，分别在距离金属管1端部0.15m的管内截面上焊接圆形的钢板堵头5(堵头5的直径为39cm、厚度为1.5cm、材质为的Q235)，并在堵头5的外侧焊接井字型的加强筋6，如图2所示。

3)传感器和高速摄影仪安装

如图1所示，沿金属管外壁面沿轴向每隔25cm安装一个时间探针单元；在相应的安装螺母上分别安装压力传感器2和温度传感器3；在安装压力传感器2的金属管截面外壁布置8个应变片7，如图3所示；分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置一个自由场压力传感器8；分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置一个地面振动传感器9；在垂直金属管1轴向，距离起裂点18m位置安装高速摄影仪10。

4)约束固定

如图4所示，在试验场开挖深60cm、长3.8m的管槽11；把金属管1放入管槽11中间位置，在金属管1两端浇筑尺寸为0.45×0.8×1m的钢筋混泥土锚固器12；在距离金属管1端部0.8m的位置值入两组摩擦桩13(长度1.5m、断面尺寸为0.2×0.2m)，再用柔性索缠绕金属管1，最后把柔性索两端分别固定在金属管1两侧的摩擦桩13上。

5)加压系统安装

分别安装高压空气压缩装置14、加压与泄压转换装置4、高压输气管单元15、实时压力监控单元16。

6)测试系统连接

如图1所示，采用信号屏蔽电缆17将时间探针单元18、压力传感器2、温度传感器3、应变片7、地震波振动传感器9分别与动态信号采集系统19连接；采用低噪声同轴电缆20连接自由场压力传感8与动态信号采集19系统；将动态信号采集系统19的信号输出端与计算机20连接。

7)初始裂缝引入装置安装

在金属管1顶部中心位置沿金属管轴向安装初始裂缝引入装置21。

8)加压

采用高压空气压缩装置14对金属管1加压，同时实时监测管内气体压力和温度变化。当管内压力达到试验目标压力时停止加压并关闭加泄压装置14，卸除高压输气管单元16。

(4)确定模型试验测试内容

a裂纹扩展速度试验

1)当管内温度下降到28℃时，引爆初始裂缝引入装置21，在金属管中心顶部引入初始裂缝；

2)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……L_i，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……t_i，其中L_i表示第i个时间探针单元到初始裂缝尖端的距离，t_i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V_i＝(L_i-L_i-1)/(t_i-t_i-1)，其中i＝1、2、3……n；然后以位移[(L_i-L_i-1)/2+L_i]为X轴和速度V_i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。

b管壁材料应变测试：在安装压力传感器的金属管截面外壁布设8个应变测点，应变测点沿截面环向呈左右对称布设，每个测点测试管壁面的环向应变和轴向应变，如图5所示，为金属管截面45°位置外壁面环向应变时程曲线。

c管内减压波传播规律试验：在距离金属管中心左(右)侧0.25倍金属管长的截面位置安装一个压力传感器，用于测试加压过程管内压力和爆破过程中管内减压波传播规律，为避免影响裂纹的扩展，压力传感器安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置，如图6所示，为管内压力时程曲线。

d管外冲击波压力场测试：分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置一个自由场压力传感器，测试金属管爆破形成空气冲击波传播到各测点的强度。

e管外地震波振动场测试。分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置一个地面振动传感器，测试金属管爆破形成地震波传播到各测点的质点运动速度。

实施效果：

试验金属管1在加压约20分钟后达到目标压力值；端部封堵效果和管体密封效果良好；爆破后金属管1运动被限制在约束范围内。

图5和图6分别给出了本次模型试验金属管壁应变和管内气体减压波的测试结果。

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 (10)

1.一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于；包括金属管、时间探针单元和将动态信号采集系统，所述金属管的两端安装有封闭金属管的堵头，在金属管管壁上安装有若干个时间探针单元，在金属管的中心安装有初始裂缝引入装置，在金属管一端安装有压力传感器，在金属管另一端安装有温度传感器，金属管还与加压系统连接；在地面上设有若干个自由场压力传感器和地面振动传感器，在垂直金属管轴线方向上安装有高速摄影机，若干个时间探针单元、温度传感器、压力传感器和地面振动传感器分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接，若干个自由场压力传感器通过低噪声同轴电缆与动态信号采集系统连接，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所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：所述金属管位于地面的管槽内，管槽通过两端的钢筋混泥土锚固器将金属管固定，在管槽两侧地面上设有两组摩擦桩，柔性索缠绕金属管，柔性索的两端分别固定在金属管两侧的摩擦桩上。

3.根据权利要求2所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：在安装压力传感器的金属管截面外壁布置8个应变片，8个应变片分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接。

4.根据权利要求3所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：所述8个应变片沿金属管截面的22.5°、45°、90°、135°、225°、270°、315°、337.5°分布，其中正对金属管顶部为0°，顺时针增大。

5.根据权利要求4所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：所述自由场压力传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置。

6.根据权利要求5所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：所述地面振动传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置。

7.根据权利要求6所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：所述温度传感器位于金属管长度1/3处，压力传感器位于金属管长度1/4处，压力传感器安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置。

8.根据权利要求7所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，其特征在于：所述初始裂缝引入装置引入的初始裂纹长度必须大于2c，其中：

$c=\frac{1000\mathrm{\π}E\left(\frac{C_v}{A_c}\right)}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^2\×ln\[\sec \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{M_t{\mathrm{\σ}}_h}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)\]}$

$M_t=\sqrt{1+1.61{\left(\frac{c}{\sqrt{Rt}}\right)}^2}$

式中A_c为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8×10^-5m²；C_v为管材夏比冲击吸收功，单位J；c为初始裂缝长度的一半，单位mm；E为管材杨氏模量，单位Pa；σ_o为金属管的流变应力、金属管屈服应力σ_s和拉伸强度σ_t的平均值，单位Pa；σ_h为金属管的环向应力，单位Pa；M_t为膨胀因子；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm。

9.根据权利要求8所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，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，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，时间探针单元在管壁上的布置间距为D/3～D，D为金属管直径，所述时间探针单元沿管壁用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间探针单元覆盖。

10.一种如权利要求1至9任一项所述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤；

(1)选择合适的金属管韧性：金属管的韧性值范围可通过下式计算：C_v＝k×σ_h ²(Rt)^1/3，式中C_v为金属管夏比冲击吸收功，单位J；σ_h为金属管环向应力，单位MPa；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm；k为常数，3.57×10^-5。为实现裂纹长距离扩展，试验金属管的韧性应小于C_v；

(2)确定金属管的管内目标压力：管内目标压力可根据下式进行核算确定：式中P为管内目标压力，单位MPa；σ_s为金属管屈服应力，单位MPa；l为管内压力设计系数，取0.68～0.8；t为金属管壁厚，单位m；R为金属管半径，单位m；

(3)确定金属管初始裂纹长度：初始裂缝的长度通过以下公式得出：

$c=\frac{1000\mathrm{\π}E\left(\frac{C_v}{A_c}\right)}{8{{\mathrm{\σ}}_0}^2\×ln\[\sec \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{M_t{\mathrm{\σ}}_h}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)\]}---\left(3\right)$

$M_t=\sqrt{1+1.61{\left(\frac{c}{\sqrt{Rt}}\right)}^2}---\left(4\right)$

式中A_c为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8×10^-5m²；C_v为管材夏比冲击吸收功，单位J；c为初始裂缝长度的一半，单位mm；E为管材杨氏模量，单位Pa；σ_o为金属管的流变应力、金属管屈服应力σ_s和拉伸强度σ_t的平均值，单位Pa；σ_h为金属管的环向应力，单位Pa；M_t为膨胀因子；R为金属管半径，单位mm；t为金属管壁厚，单位mm，为实现裂纹的扩展，引入初始裂缝的长度必须大于2c；

(4)安装试验系统：将应变片、压力传感器、温度传感器、时间探测单元安装在金属管上，金属管两端焊接上堵头，将金属管放置在管槽内固定，合理布置自由场压力传感器和地面振动传感器，连接动态信号采集系统和计算机；

(5)选择试验内容，进行相应的试验。