CN109163978A - 低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，在试验钢管表面预制缺陷，并在钢管两端焊接堵头，考察低温条件下含缺陷钢管的承压能力；将钢管放置于管沟内，并采用钢筋混凝土对钢管两端堵头位置进行锚固来构筑试验管路；在钢管上安装应变片、夹式引伸计、表面温度传感器等测量装置；通过在试验钢管的管体中注满液氮和酒精冷却液来实现对整根试验钢管的低温控制；在试验钢管注满低温液体后，通过注入氮气达到爆破压力，通过采集管内压力、管体壁温、管体应变、预制裂纹处裂纹嘴张开量及影像资料信息，来来分析确定钢管的断裂阻力曲线及韧脆转变温度。本发明经济、简单、易于操作，可精确控温，更加安全。

Description

低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法

技术领域

本发明属于输气管道结构完整性试验技术领域，具体涉及一种确定低温用气体输送钢管承压能力及韧脆转变行为的全尺寸试验方法。

背景技术

随着世界上极地能源的迅猛开发，大量天然气管道及其附属设施，需要经过极寒地带，这些极寒地带的最低温度甚至达到-60℃。当管道，尤其是含缺陷管道在低温环境服役时，容易在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下突然断裂。特别对于X80钢级(屈服强度≥555MPa)，其屈服强度超过了目前低温压力容器钢的钢级水平(490MPa)，低温脆断的敏感性相对较高，容易发生低温脆断失效事故。因此对于低温用钢管需要通过试验来确定其低温下的承压能力及韧脆转变温度。通过拉伸、冲击、落锤等小试样来研究管道的承压能力及韧脆转变行为时，由于无法考虑尺寸约束对断裂韧度的影响，因此不能够对构件是否发生脆性断裂进行定量分析和准确判断，也无法确定管道尤其是含缺陷管道在低温下的承载能力。

高压油气管道一旦失效爆炸将会造成巨大灾害和损失。随着高钢级管线钢在低温环境下的大量使用，管道发生低温脆断的概率极大增加。低温环境下的钢管全尺寸试验是验证钢管低温性能的最佳方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，来确定低温用钢管承压能力及韧脆转变温度，在本试验方法中规定了低温爆破试验的流程及要求，可准确反映温度及钢管壁厚对材料脆化造成的影响。同时本方法简单易行，可在较小投资的情况下完成试验。

本发明采用以下技术方案：

低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，包括以下步骤：

S1、在试验钢管表面预制缺陷，并在钢管两端焊接堵头，考察低温条件下含缺陷钢管的承压能力；

S2、将钢管放置于管沟内，并采用钢筋混凝土对钢管两端堵头位置进行锚固来构筑试验管路；

S3、在钢管上安装测量装置；

S4、通过在试验钢管的管体中注满低温冷却液来实现对整根试验钢管的低温控制；

S5、在试验钢管注满低温液体后，通过注入氮气达到爆破压力，通过采集管内压力、管体壁温、管体应变、预制裂纹处裂纹嘴张开量及影像资料信息，分析确定钢管的断裂阻力曲线及韧脆转变温度。

具体的，步骤S1中，在钢管中间预制裂纹，裂纹距离钢管的直焊缝为180°±1°，试验钢管两端焊接堵头，并进行无损检测，试验钢管的长度为管径的6倍以上，整根钢管外表面包裹隔热层。

具体的，步骤S2中，将试验钢管放置于试验管沟中间，试验管沟深度大于3m，缺陷处于侧面90°±1°位置，堵头位置采用钢筋混凝土固定，然后将低温槽放置于管沟上，低温槽与试验钢管通过低温管路进行连接并安装阀门。

具体的，步骤S3中，试验钢管上分别设置应变花、贴片式表面温度传感器、夹式引伸计、压力表和摄像机进行数据采集，贴片式表面温度传感器用于监控钢管壁温；夹式引伸计用于测量起裂时的裂纹嘴张开量；压力表用于测量爆破压力。

进一步的，压力表采用压阻式高频动态压力变送器，量程为0～50MPa，使用温度范围为-60～50℃，在试验钢管外部的连接管进气口和出气口位置各安装1个；应变花用于采集管体0°、45°和90°三个方向的应变；贴片式表面温度传感器分别安装在试验钢管两端及中部，量程为-60～50℃；CMOD规安装在预制缺陷中间；摄像机分别安装在起爆点东侧100m位置及南侧100m位置处。

具体的，步骤S4中，利用低温冷却液进行低温控制的具体过程如下：

S401、先向低温槽中注入酒精、然后注入液氮，调制好的低温冷却液温度比试验温度低15℃±2℃；

S402、调制好的低温冷却液体积为试验钢管体积的1.1～1.2倍；

S403、通过低温槽与试验钢管的高度差，利用冷却液自重进行注液，注液至钢管体积的100％。

进一步的，低温槽采用敞口加盖结构，低温槽及辅助管路外部包裹保温材料，低温槽的体积为1.4～1.5倍试验钢管体积，低温槽及辅助管路的耐受温度为-75℃±2℃；由温度变送器进行温度监控。

具体的，步骤S5中，在实验钢管的韧脆转变上平台、韧脆转变区和韧脆转变下平台中选择至少3个试验温度点，当断口剪切面积低于50％时，认为钢管呈现脆性。

进一步的，通过将预制缺陷旋转到侧面，用于避免注入的高压气体引起裂纹处的升温并影响到起裂过程。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种低温钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，通过在试验钢管的管体中注满液氮和酒精混合冷却液实现对整根试验钢管的低温控制，在试验钢管表面预制缺陷，考察低温条件下含缺陷钢管的承压能力，在试验钢管注满低温液体后，通过注入高压氮气来提供足够的爆破能量，来测量试验钢管在低温下的最大承压能力，通过采集管内压力、管体壁温、管体应变、预制裂纹处裂纹嘴张开量及影像资料信息，来确定钢管的断裂阻力、低温承压能力、以及韧脆转变温度。

进一步的，实际天然气管道为无限长，当试验钢管装上堵头后，堵头会对管端产生约束、当试验钢管长度为管径6倍以上时，由于堵头对管端约束造成的钢管承压能力的变化可以忽略不计。无损检测是焊接后的常规操作，避免焊接处有缺陷。由于是低温爆破试验，因此需在钢管外包裹隔热层以避免钢管与外界发生热交换，从而影响实验温度。实际天然气管道为无限长，由于受到相邻钢管约束、钢管是无法发生轴向变形的。我们这个试验是需要模拟实际管道的受力情况，因此在钢管两端采用钢筋混凝土锚固墩进行固定，防止钢管在升压过程中产生轴向变形。

进一步的，距离钢管直焊缝180°位置为制管前钢板的中心位置，此处也为铸坯的中心位置，最容易出现夹杂、偏析等缺陷，因此也是整个钢管的薄弱环节。考察此处的承压能力，更有意义。预置裂纹主要看钢管的裂纹扩展阻力，以及含缺陷钢管的承压能力。

进一步的，液氮酒精混合冷却液降温这种方法最低温度低、整管降温均匀，不容易波动。同时最为经济，操作也便利。

进一步的，低温槽，这种方法简易，易于操作，经济性强。包括利用自重注液，都是为了省钱。

进一步的，钢管在韧脆转变上平台时呈现延性断裂，钢管具有高的承压能力，当钢管处于韧脆转变下平台时，钢管会呈现低应力脆段现象，此时钢管失去正常的承压能力，在很低的压力下就会发生断裂；而当钢管处于韧脆转变区时，其承压能力处于上平台和下平台之间，断口也会呈现为韧脆混合型断口。通过设置3个温度试验点，可以确定实际钢管使用温度的安全边界。韧脆转变区可以有更多的试验温度点。

进一步的，注入高压氮气后，会在钢管顶部形成小的气腔，将预制缺陷旋转到侧面，会让裂纹扩展失稳的位置始终浸泡在液氮酒精混合液中，液氮酒精混合液有较大的热容，需要吸收更多的热量，才会发生温度变化，因此缺陷处被液氮酒精混合液浸泡，更容易维持温度不变。同时爆破口朝向管沟壁，试验更加安全。气体具有压缩性，因此注入的高压氮气，与纯液体相比，可提供更大能力，保证启裂口充分张开，有利于后面确定韧脆转变温度。

综上所述，本发明经济、简单、易于操作，可精确控温，更加安全。本实验中，钢管的长度，及两端采用钢筋混凝土锚固墩固定，可以保证实验钢管的受力状态与实际管道完全一致。与常规水压爆破相比，注入的气体可以保证启裂口充分张开，有利于后面确定韧脆转变温度。同时本实验涵盖了试验钢管韧脆转变上平台、韧脆转变区和韧脆转变下平台，可以通过全尺寸试验，确定钢管使用温度的安全边界。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为预制缺陷位置示意图；

图2为钢管放置位置示意图。

具体实施方式

本发明一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，包括以下步骤：

S1、通过在试验钢管的管体中注满液氮和酒精来实现对整根试验钢管的低温控制；

其中，试验钢管两端焊接堵头，并进行无损检测，在两端堵头处采用混凝土锚固墩进行固定试验钢管的长度需为管径的6倍以上，需对整根钢管外表面进行隔热层包裹来避免试验钢管升温。

S2、在试验钢管表面预制缺陷，考察低温条件下含缺陷钢管的承压能力；

在钢管中间距离直焊缝180°位置采用预制裂纹，将试验钢管放置于试验管沟中间，试验管沟深度应大于3m，缺陷处于侧面90°位置，然后将低温槽放置于管沟上，低温槽需能耐受-70℃的低温，低温槽与试验钢管通过软管/硬管(低温管路)进行连接并安装阀门。

利用低温冷却液进行降温的具体过程如下：

S201、先向低温槽中注入酒精、然后注入液氮，调制好的低温冷却液温度比试验温度低15℃；

S202、调制好的低温冷却液体积为试验钢管体积的1～1.5倍；

S203、利用低温槽与试验钢管的高度差，利用冷却液自重进行注液。

S3、在试验钢管注满低温液体后，通过注入氮气来达到爆破压力，将钢管增压至爆破，通过空气压缩机注入高压气体来测量试验钢管在低温下的最大承压能力，通过采集管内压力、管体壁温、管体应变、预制裂纹处裂纹嘴张开量及影像资料信息，对试验钢管的韧脆转变温度附近断口形貌分析确定钢管的韧脆转变温度。

其中，对试验钢管及辅助管路进行保温材料包裹，在低温槽中首先注入酒精，随后注入液氮进行调温，调温过程中随时监控温度变化。液氮与酒精混合后的温度需低于试验温度-15℃左右；打开阀门，利用低温槽与试验钢管的高度差将混合后的低温溶液注入试验钢管，低温液体体积占钢管容积的100％。

试验钢管的韧脆转变温度附近包括：韧脆转变上平台，韧脆转变区，韧脆转变下平台选择至少3个试验温度点进行试验，当断口剪切面积低于50％时，认为钢管呈现脆性。

试验钢管上分别设置应变花、贴片式表面温度传感器、夹式引伸计、压力表和摄像机进行数据采集，贴片式表面温度传感器用以监控钢管壁温；夹式引伸计用于测量起裂时的裂纹嘴张开量；压力表用于测量爆破压力。

优选的，通过将预制缺陷旋转到侧面，来避免注入的高压气体引起裂纹处的升温并影响到起裂过程。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

试验程序包括：低温槽及辅助管路准备，布管、堵头连接、焊缝检验、传感器安装、隔热层包裹、液体混合降温、注气升压、爆炸实施及数据采集，场地清理。

(1)在钢管中间距离直焊缝180°位置预制裂纹，如图1所示；

(2)试验钢管两端焊接堵头，并进行无损检测；

(3)两端堵头处，采用混凝土锚固墩进行固定；

(4)将试验钢管放置于试验管沟中间，试验管沟深度应大于3m，缺陷处于侧面90°位置，如图2所示，无需对钢管进行固定，也无需回填；

(5)完成低温槽的安装，低温槽放置于管沟上，低温槽需能耐受-70℃的低温。低温槽与试验钢管通过软管/硬管(低温管路)进行连接，连接管路需要安装阀门；

(6)完成注气管路及空气压缩机的安装；

(7)对试验钢管进行仪器仪表化，安装的传感器包括：压力变送器，贴片式表面温度传感器，应变花，夹式引伸计，摄像机2台。分别用来采集管内压力、管体壁温、管体应变、预制裂纹处裂纹嘴张开量及影像资料；

(8)仪器仪表安装的同时，完成数采调试；

(9)仪器仪表安装后对试验钢管及辅助管路进行保温材料包裹；

(10)在低温槽中首先注入酒精，随后注入液氮进行调温，调温过程中随时监控温度变化。液氮与酒精混合后的温度需低于试验温度-15℃左右；

(11)打开阀门，利用低温槽与试验钢管的高度差将混合后的低温溶液注入试验钢管，低温液体体积占钢管容积的100％；

(12)采用高压氮气将钢管增压至爆破；

(13)通过温度传感器监控管体温度，根据温度情况控制增压速度；

(14)试验全过程通过数采系统对温度、压力、裂纹嘴张开量和应变数据进行采集；

(15)试验后对断口进行照相和分析。

传感器安装要求及位置：

(1)低温槽及连接管路要求

1)低温槽的体积约为1.5倍试验钢管体积；

2)低温槽及辅助管路需耐受-75℃低温；

3)低温槽为敞口加盖的结构形式；

4)低温槽外需要包裹保温材料；

5)通过温度变送器对低温槽温度进行监控。

(2)压力表

1)采用压阻式高频动态压力变送器进行压力测试。

2)在试验钢管外部的连接管进气口和出气口位置各安装1个压力变送器。

3)压力变送器的量程为0～50MPa，使用温度范围-60～50℃。

(3)应变花

根据需要在管体安装若干应变花，采集管体0°、45°和90°三个方向的应变。

(4)温度传感器

1)采用贴片式表面温度传感器3个进行温度测量，分别安装在试验钢管两端及中部；

2)贴片式表面温度变送器量程为-60～50℃；

(5)夹式引伸计

在预制缺陷中间安装夹式引伸计进行裂纹张开量测量。

(6)摄像机

在起爆点东侧100m位置及南侧100m位置各安装一台摄像机进行影像采集。

实施例

2015年10月管研院在哈密全尺寸爆破试验场进行了3次低温爆破试验。试验钢管钢级为X80，钢管外径为1422mm，长度为12m，壁厚为21.4mm。

通过系列温度(-50℃，-40℃，-30℃，-20℃)下的单管全尺寸爆破试验，确定了钢管在特定温度下的失效压力及韧脆转变温度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在试验钢管表面预制缺陷，并在钢管两端焊接堵头，考察低温条件下含缺陷钢管的承压能力；

S2、将钢管放置于管沟内，并采用钢筋混凝土对钢管两端堵头位置进行锚固来构筑试验管路；

S3、在钢管上安装测量装置；

S4、通过在试验钢管的管体中注满低温冷却液来实现对整根试验钢管的低温控制；

S5、在试验钢管注满低温液体后，通过注入氮气达到爆破压力，通过采集管内压力、管体壁温、管体应变、预制裂纹处裂纹嘴张开量及影像资料信息，分析确定钢管的断裂阻力曲线及韧脆转变温度。

2.根据权利要求1所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，步骤S1中，在钢管中间预制裂纹，裂纹距离钢管的直焊缝为180°±1°，试验钢管两端焊接堵头，并进行无损检测，试验钢管的长度为管径的6倍以上，整根钢管外表面包裹隔热层。

3.根据权利要求1所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，步骤S2中，将试验钢管放置于试验管沟中间，试验管沟深度大于3m，缺陷处于侧面90°±1°位置，堵头位置采用钢筋混凝土固定，然后将低温槽放置于管沟上，低温槽与试验钢管通过低温管路进行连接并安装阀门。

4.根据权利要求1所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，步骤S3中，试验钢管上分别设置应变花、贴片式表面温度传感器、夹式引伸计、压力表和摄像机进行数据采集，贴片式表面温度传感器用于监控钢管壁温；夹式引伸计用于测量起裂时的裂纹嘴张开量；压力表用于测量爆破压力。

5.根据权利要求4所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，压力表采用压阻式高频动态压力变送器，量程为0～50MPa，使用温度范围为-60～50℃，在试验钢管外部的连接管进气口和出气口位置各安装1个；应变花用于采集管体0°、45°和90°三个方向的应变；贴片式表面温度传感器分别安装在试验钢管两端及中部，量程为-60～50℃；CMOD规安装在预制缺陷中间；摄像机分别安装在起爆点东侧100m位置及南侧100m位置处。

6.根据权利要求1所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，步骤S4中，利用低温冷却液进行低温控制的具体过程如下：

S401、先向低温槽中注入酒精、然后注入液氮，调制好的低温冷却液温度比试验温度低15℃±2℃；

S402、调制好的低温冷却液体积为试验钢管体积的1.1～1.2倍；

S403、通过低温槽与试验钢管的高度差，利用冷却液自重进行注液，注液至钢管体积的100％。

7.根据权利要求6所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，低温槽采用敞口加盖结构，低温槽及辅助管路外部包裹保温材料，低温槽的体积为1.4～1.5倍试验钢管体积，低温槽及辅助管路的耐受温度为-75℃±2℃；由温度变送器进行温度监控。

8.根据权利要求1所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，步骤S5中，在实验钢管的韧脆转变上平台、韧脆转变区和韧脆转变下平台中选择至少3个试验温度点，当断口剪切面积低于50％时，认为钢管呈现脆性。

9.根据权利要求8所述的一种低温输气钢管承压能力及韧脆转变行为全尺寸试验方法，其特征在于，通过将预制缺陷旋转到侧面，用于避免注入的高压气体引起裂纹处的升温并影响到起裂过程。