CN112393969B - 轴向表面型裂纹钢管爆破试验装置及其断裂阻力评价方法 - Google Patents

轴向表面型裂纹钢管爆破试验装置及其断裂阻力评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种表面型裂纹钢管爆破试验装置及其断裂阻力的评价方法，装置包括直流电势差测量装置、夹式引伸计、压力传感器、热电偶、应变片以及试验管路；试验钢管设置在爱试验管路中，沿试验钢管轴向加工有表面型裂纹，在试验钢管表面安装两个夹式引伸计，两个夹式引伸计的刃口相对于试验钢管表面有垂直高度差，直流电势差测量装置包括电源、微毫电压计、电流探针线和电压探针线，电源通过电流探针线连接试验钢管，微毫电压计通过电压探针线连接试验钢管；压力传感器设置在试验钢管的两端；热电偶设置在初始裂纹两端；能实现在原管上进行爆破试验，所测数据更能更准确地反映出管道实际破裂的真实情况。

Description

轴向表面型裂纹钢管爆破试验装置及其断裂阻力评价方法
技术领域
本发明属于油气输送管道结构完整性领域，具体涉及一种轴向表面型裂纹钢管爆破试验装置及其断裂阻力评价方法。
背景技术
承压油气管道总是不可避免的会存在裂纹类缺陷，为了保证承压管道的安全运营，必须准确评估/预测含裂纹缺陷钢管的起裂压力(裂纹开展扩展，但管道仍有承压能力),最终失效压力(管道所能承受的最大压力，此时裂纹失稳扩展)以及裂纹扩展阻力(裂纹尖端张开位移CTOD)与裂纹扩展量对应关系。
为了评估/预测含裂纹缺陷钢管的起裂压力和失效压力，美国Battelle研究院研究建立的断裂起裂准则(NG-18公式)虽然可以预测含初始缺陷钢管的爆破压力(管道所能承受最大压力)，但只适用于低钢级低韧性钢管(X70及以下)，且无法预测裂纹(SCC裂纹/疲劳裂纹等)开始扩展的起始压力。对于高强高韧钢管(X80及以上)，NG-18公式则既无法准确预测含初始缺陷钢管的失效压力，也无法准确预测裂纹开始生长的起始压力。
目前X80等高钢级管道的安全评价多通过失效评估图及小试样准静态断裂韧性试验来开展，亟须建立轴向表面型钢管爆破试验方法，用以正确评价含缺陷管道的承压能力以及裂纹扩展阻力。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种轴向表面型裂纹钢管爆破试验装置及其断裂阻力评价方法，能得到裂纹开始扩展时的临界裂纹尺寸和起裂压力、钢管爆破失效时的临界裂纹尺寸和压力以及裂纹扩展量与裂纹尖端张开位移(CTOD)的对应关系。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种表面型裂纹钢管爆破试验装置，包括直流电势差测量装置、夹式引伸计、压力传感器、热电偶以及应变片；沿试验钢管轴向加工有表面型裂纹，试验钢管表面设置两个夹式引伸计，两个夹式引伸计的刃口相对于试验钢管表面垂直高度差为h2-h1，
直流电势差测量装置包括直流电源、微毫电压计、电流探针线和电压探针线，直流电源通过电流探针线连接试验钢管，微毫电压计通过电压探针线连接试验钢管；
电流探针线和电压探针线设置在初始裂纹中部两侧，电压探针线与初始裂纹的距离小于电流探针线与裂纹的距离，
压力传感器设置在试验钢管的两端；至少安装两个热电偶，热电偶设置在初始裂纹两端。
还包括至少3台高速摄像机，高速摄像机均正对初始裂纹，其中两台高速摄像机对焦于初始裂纹的两端，一台高速摄像机对焦于裂纹中心，用于监测整个裂纹区。
热电偶采用电阻点焊与试验钢管连接，热电偶的分辨率至少为0.2℃。
压力表精度不得低于1级，分辨率至少为0.05MPa。
电流探针线距离裂纹中心线8mm，电压探针线距离初始裂纹中心线2mm；夹式双引伸计安装于距离初始裂纹中心线5mm处，两个夹式引伸计的间距为8mm。
电流探针线以及电压探针线通过点焊焊接在试验钢管表面。
电压探针线采用铁导线连接试验钢管，10cm≤铁导线长度≤20cm，铁导线与电压计通过铜导线连接。
对于直缝焊管，裂纹位于距离直焊缝180°位置，表面裂纹宽度小于0.2mm，裂纹长度2c在0.25D～0.5D之间，裂纹深度在0.4t至0.8t之间。
一种表面型裂纹钢管爆破试验方法，
在试验钢管表面加工轴向表面型裂纹；
搭建试验管路，安装直流电势差测量装置、夹式引伸计、压力传感器、热电偶以及应变片；
校正电压与实测表面型裂纹长度的关系；
将试验管路注入水或者冷却液；
对样品持续加压，升压速度1～5MPa/h，并进行数据采集；
当载荷开始下降或者样品出现泄漏情况试验结束；
控制并记录试验过程中的样品温度，温度的控制精度为±2℃；
当使用电势差法测量时，控制环境温度波动不超过5℃；
分别采集两个引伸计测量的裂纹口张开位移v1和v2，根据公式(1)计算CTOD值：
Figure BDA0002746370260000031
厚度方向的裂纹深度按公式(2)计算，
a/t＝b0+b1(E/E0)+b2(E/E0)2+b3(E/E0)3 (2)
a为裂纹深度；t为试验钢管厚度；E为实测直流电势差；E0为初始裂纹深度，a0为初始裂纹对应的电势差；b0＝-0.8；b1＝1.2；b2＝-1.5；b3＝0.0004；
建立裂纹中间低夹式引伸计张开位移与压力和电势差的关系，通过线性回归分析确定裂纹钝化区域，确定起裂压力与最大失效压力；
建立裂纹扩展量与压力及断裂阻力的关系。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的试验装置，能实现在原管上进行爆破试验，所测数据更能更准确地反映出管道实际破裂的真实情况，而且能用于准确预测裂纹开始生长的起始压力，有助于在含缺陷承压管道安全评价的准确性和可靠性。
通过本试验所述方法能采集到更加准确的裂纹扩展数据：裂纹开始扩展时的临界裂纹尺寸和起裂压力；钢管爆破失效时的临界裂纹尺寸和压力；裂纹扩展量与裂纹尖端张开位移(CTOD)的对应关系；这些数据进一步用于含缺陷承压管道的安全评价时，所得结果也更加准确。
附图说明
图1为轴向表面型裂纹示意图。
图2为双引伸计安装示意图。
图3为电势差法测量原理示意图。
图4a为轴向表面型裂纹夹式引伸计及电势差测量装置安装位置示意图。
图4b为图4a的俯视示意图。
图4c为图4a的侧视示意图。
图5使用双引伸计法计算CTOD使用的裂纹截面示意图。
图6为低夹式引伸计与压力及电势差关系图。
图7为裂纹扩展量与压力及断裂阻力(CTOD)关系图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细阐述。
实施例：
一、试验包含以下过程：
1)试验钢管加工测试，2)轴向表面型裂纹加工，3)试验管路搭建，4)传感器安装，5)加压测试，6)试验数据处理分析
二、试验钢管加工测试
(1)取整根钢管作为试样，试样长度不小于钢管公称外径的5倍。
(2)试验前对试样进行外观、尺寸检测以及无损检验，对焊缝进行无损探伤，尺寸至少包括管径、壁厚以及周长。
(3)试验前对试样进行系列温度的管体横向拉伸、夏比冲击、紧凑拉伸及单边缺口拉伸试验，通过紧凑拉伸及单边缺口拉伸试验获得其J-R阻力曲线。
三、表面型裂纹加工要求
沿钢管轴向加工表面型裂纹，如图1所示，对于直缝焊管，裂纹位于距离直焊缝180°位置，表面裂纹采用电火花(EDM)方式加工，宽度n小于0.2mm，裂纹长度2c在0.25D～0.5D之间，采用0.25D、0.38D以及0.5D三个长度，D为试验钢管外径，裂纹深度在0.4t至0.8t之间，t为试验钢管壁厚。
四、试验管路搭建
试验钢管需进行清理、端部密封、进水和排气管路安装，参照《输送钢管静水压爆破试验方法》SY/T 5992进行。
五、传感器安装
(1)夹式引伸计
采用双夹式引伸计测量裂纹尖端张开位移(CTOD)及裂纹嘴张开位移(CMOD)。夹式引伸计通过刃口夹持装置进行安装，对于轴向表面型裂纹张开嘴测试，同一位置在试样表面不同高度处安装两个夹式引伸计。采用双引伸计方法时，按照图2所示装夹方式布置，两个引伸计的刃口垂直高度差(h2-h1)在0.25～2倍试样厚度之间。
(2)电势差测量装置
使用直流电势差法测试裂纹扩展，在试验过程中应持续测量试样裂纹尖端两侧的电压，建立电势差和裂纹扩展位移关系曲线，电势差和裂纹扩展位移关系曲线用于确定裂纹稳态生长的开始，以及确定裂纹扩展量和CTOD的关系。
电势差测量装置如图3所示，恒定的电源通过电流探针线连接试样，提供恒定电流；微毫电压计5通过电压探针线连接到试样上，微毫电压计用于测量缺口两端在试验过程中的电压，即电势差，试验过程中的电压变化反映裂纹扩展量，电流探针线和电压探针线通过点焊焊接在钢管表面；电压探针线采用与试验钢管材质相近的铁导线8，优选与试验钢管材质相同的铁导线，10cm≤铁导线长度≤20cm，铁导线8与微毫电压计5通过铜导线9连接，所有导线接头处需要进行热绝缘；电流探针线提供10A～15A的电流，电流维持3s后，转换电极方向，以便电压探针线检测到电压零位；由电压探针线采集的电压数据放大1000倍后，滤波，然后模数转换，每一个数据点是一个平均值，包含10个正电位点和10个负电位点；试验前校正电压与实测表面型裂纹长度的关系。
(3)电势差装置及夹式引伸计安装位置
采用一组电流探针线6、一组电压探针线7及一组夹式双引伸计8进行测试，安装位置如图3、图4a、图4b和图4c所示。一组电流探针线6和一组电压探针线7安装于初始裂纹两侧，电流探针线6距离裂纹中心线8mm；电压探针线EP1与初始裂纹中心线的距离L＝2mm，一组夹式双引伸计安装于初始裂纹中间，夹式双引伸计1安装于距离初始裂纹中心线5mm处(d2＝10mm)，夹式引伸计中高引伸计和低引伸计的间距8mm(d1＝8mm)。
(4)压力传感器：试验装置中应至少安装2个能准确显示试验压力的压力传感器10，其量程应为试样承受最大压力的1.5倍，压力表精度不得低于1级，分辨率至少为0.05MPa。
(5)热电偶：应至少安装两个热电偶来监测试样温度，热电偶安装在缺口附近；热电偶通过电阻点焊进行安装；热电偶的分辨率至少为0.2℃
(6)应变片：根据试验需要安装应变片11，应变片11安装应按照ASTM E1237中的规定进行。
(7)摄像机：可以安装至少3台高速摄像机，分别监测裂纹两端的扩展及整个裂纹区域样品的臌胀情况；高速摄像机应在1000帧/s以上，摄像机像素应在1280*800以上。
七、加压测试
(1)样品仪器仪表化后将试验管路注入水或者冷却液。当最低试验温度在0℃以上时，采用水作为加压介质；当最低试验温度在0℃以下时，应采用冷却液作为加压介质。
(2)正式试验前，将水或者冷却液加压至0.2MPa并保压30min，检查是否存在泄漏，同时开启所有检测仪表，检查仪器仪表是否工作正常。
(3)正式试验中，对样品持续加压，升压速度1～5MPa/h，并进行数据采集。
(4)温度控制要求应根据ASTM E1820进行，应控制并记录试验过程中的样品温度，精度为±2℃，当使用电势差法测量时，控制环境温度波动不超过5℃。
在试验过程中，样品温度应保证稳定、均匀，变化应不超过±2℃。
(5)当载荷开始下降或者样品出现泄漏情况试验结束。
八、裂纹尖端张开位移(CTOD)计算方法
使用夹式双引伸计法时，通过在图5描述的截面上，使用三角形法则外推上下引伸计位移至试样的裂纹前端，得到CTOD值，应使用式1计算CTOD(δ)：
Figure BDA0002746370260000071
a0为初始裂纹深度，v1为低引伸计测量的裂纹口张开位移，v2为高引伸计测量的裂纹口张开位移，h1为低引伸计CG1的高度，h2为高引伸计CG2的高度；
九、电势差与裂纹沿厚度方向扩展量对应关系
采用本发明要求加工表面型裂纹并安装电势差装置(包括安装位置和电势差测量方法)，当裂纹深度在0.4t至0.8t之间时，按照下列公式，通过实测电势差换算得到试验过程中厚度方向的裂纹深度。
a/t＝b0+b1(E/E0)+b2(E/E0)2+b3(E/E0)3
a为裂纹深度；t为试验钢管厚度；E为实测直流电势差；E0为初始裂纹深度，a0为初始裂纹对应的电势差；b0＝-0.8；b1＝1.2；b2＝-1.5；b3＝0.0004；
十、试验数据处理
建立裂纹中间低夹式引伸计张开位移与压力及电势差的关系，通过线性回归分析确定裂纹钝化区域，同时确定最大失效压力，如图6所示。
利用高低引伸计张开位移计算裂纹尖端张开位移(CTOD)。
建立裂纹扩展量与压力及断裂阻力(CTOD)的关系，如图7所示。

Claims (5)

1.一种表面型裂纹钢管爆破试验装置，其特征在于，包括直流电势差测量装置、夹式引伸计（1）、压力传感器（10）、热电偶以及应变片（11）；沿试验钢管（2）轴向加工有表面型裂纹，试验钢管（2）表面设置两个夹式引伸计（1），两个夹式引伸计（1）的刃口相对于试验钢管（2）表面垂直高度差为h2-h1，
直流电势差测量装置包括直流电源（4）、微毫电压计（5）、电流探针线（6）和电压探针线（7），直流电源（4）通过电流探针线（6）连接试验钢管，微毫电压计（5）通过电压探针线（7）连接试验钢管；
电流探针线（6）和电压探针线（7）设置在初始裂纹中部两侧，电压探针线（7）与初始裂纹的距离小于电流探针线（6）与裂纹的距离，
压力传感器（10）设置在试验钢管的两端；至少安装两个热电偶，热电偶设置在初始裂纹两端；还包括至少3台高速摄像机，高速摄像机均正对初始裂纹，其中两台高速摄像机对焦于初始裂纹的两端，一台高速摄像机对焦于裂纹中心，用于监测整个裂纹区；对于直缝焊管，裂纹位于距离直焊缝180°位置，表面裂纹宽度小于0.2mm，裂纹长度2c在0.25D~0.5D之间，裂纹深度在0.4t至0.8t之间；热电偶采用电阻点焊与试验钢管连接，热电偶的分辨率至少为0.2℃；表面型裂纹钢管爆破试验方法包括如下步骤：
在试验钢管表面加工轴向表面型裂纹；
搭建试验管路，安装直流电势差测量装置、夹式引伸计（1）、压力传感器（10）、热电偶以及应变片（11）；
校正电压与实测表面型裂纹长度的关系；
将试验管路注入水或者冷却液；
对样品持续加压，升压速度1~5MPa/h，并进行数据采集；
当载荷开始下降或者样品出现泄漏情况试验结束；
控制并记录试验过程中的样品温度，温度的控制精度为±2℃；
当使用电势差法测量时，控制环境温度波动不超过5℃；
分别采集两个引伸计测量的裂纹口张开位移v 1和v 2，根据公式（1）计算CTOD值：
Figure 776497DEST_PATH_IMAGE001
（1）
厚度方向的裂纹深度按公式（2）计算，
Figure 556234DEST_PATH_IMAGE002
（2）
a为裂纹深度；t为试验钢管厚度；E为实测直流电势差；E0为初始裂纹深度，a0为初始裂纹对应的电势差；b 0=-0.8;b 1=1.2;b 2=-1.5;b 3=0.0004；
建立裂纹中间低夹式引伸计张开位移与压力和电势差的关系，通过线性回归分析确定裂纹钝化区域，确定起裂压力及最大失效压力；
建立裂纹扩展量与压力及断裂阻力的关系。
2.根据权利要求1所述的表面型裂纹钢管爆破试验装置，其特征在于，压力表精度不得低于1级，分辨率至少为0.05MPa。
3.根据权利要求1所述的表面型裂纹钢管爆破试验装置，其特征在于，电流探针线（6）距离裂纹中心线8mm，电压探针线（7）距离初始裂纹中心线2mm；夹式引伸计（1）安装于距离初始裂纹中心线5mm处，两个夹式引伸计的间距为8mm。
4.根据权利要求1所述的表面型裂纹钢管爆破试验装置，其特征在于，电流探针线（6）以及电压探针线（7）通过点焊焊接在试验钢管表面。
5.根据权利要求1所述的表面型裂纹钢管爆破试验装置，其特征在于，电压探针线采用铁导线（8）连接试验钢管，10cm≤铁导线长度≤20cm，铁导线（8）与微毫电压计（5）通过铜导线（9）连接。
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