CN114004171B - 一种确定管道止裂韧性裂纹尖端张开角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定管道止裂韧性裂纹尖端张开角(CTOA)的方法，包括：将利用BWRS气体状态方程计算气体压力‑减压波速度曲线及利用基于CTOA的裂纹扩展速度预测模型构建天然气管道的压力‑裂纹扩展速度曲线放置于同一坐标系中，通过改变CTOA值，使气体压力‑减压波速度曲线与压力‑裂纹扩展速度曲线相切，将气体压力‑减压波速度曲线与压力‑裂纹扩展速度曲线的切点CTOA作为天然气管道的止裂韧性。相对于现有技术，本发明以CTOA作为止裂韧性指标，对于管道抵抗断裂的能力表征的更准确，对于不同钢级和管道尺寸适用性更高。

Description

一种确定管道止裂韧性裂纹尖端张开角的方法

技术领域

本发明属于天然气输送管道设计制造技术领域，具体地，涉及一种利用基于裂纹尖端张开角(CTOA)的双曲线模型确定管道止裂韧性CTOA的方法。

背景技术

随着国民经济的不断发展，天然气的需求随之日益增长，管道作为天然气输送最有效的手段，正朝着高钢级、大口径、高压力的方向发展。高钢级管道尽管强度高韧性好，但仍不可避免的在生产或运输过程中产生缺陷或裂纹，这些裂纹在管内高压作用下迅速扩展至成百甚至上千米，造成灾难-性的后果。因此，必须对管道长程裂纹扩展进行有力的控制，而止裂韧性的确定则是断裂控制的核心。

Battelle双曲线模型(BTCM)是目前工业化程度最高、应用最广泛的止裂韧性预测模型，该模型以夏比冲击韧性为指标。工程实践表明，该模型对于X50、X65等早期管线钢止裂韧性的预测是较为准确的，对于X70及以上高韧性管线钢却并不适用。这是由于夏比冲击试样较小，其预测得到的夏比冲击能量主要代表对塑性变形而非对裂纹扩展的抵抗，因此，夏比冲击韧性是否可以代表管道的真实韧性值得商榷。

由于落锤撕裂试验试样尺寸与试验工况更接近于管道裂纹扩展的真实状态，因此被认为是替代夏比冲击试验的最好方法。基于上述认识，日本高强度管线钢管(HLP)委员会以落锤撕裂能代替BTCM中的夏比冲击韧性，通过对全尺寸X70管道爆破实验数据的拟合构建了HLP模型；之后，日本Sumitomo公司对HLP模型引入管道尺寸效应修正参数，形成了HLP-Sumitomo模型，但两模型并未得到普遍认可。随着管道钢级的提升，基于夏比冲击韧性或基于落锤撕裂能的止裂控制方法预测得到的止裂韧性变得越来越不确定。这给高钢级天然气管道止裂设计造成巨大影响，也给后续管道安全运行造成巨大威胁。

多种试验数据表明，材料CTOA仅与裂纹稳定扩展阶段有关，有望克服夏比冲击韧性及落锤撕裂能的根本缺陷，成为表征天然气管道延性断裂止裂韧性的首选参数，然而当前尚未形成确定止裂韧性CTOA的相关方法。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种利用基于CTOA的双曲线模型确定管道止裂韧性CTOA的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种确定管道止裂韧性CTOA的方法，包括以下步骤：

1)根据天然气管道设计要求，确定天然气管道的规格参数和最大设计输送压力P₀；所述天然气管道的规格参数包括：天然气管道外径和天然气管道壁厚；

2)采用BWRS气体状态方程计算气体压力-减压波速度曲线，输入的参数包括温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为气体压力-减压波速度曲线；

3)利用基于CTOA的裂纹扩展速度预测模型构建天然气管道的裂纹扩展阻力方程，绘制天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线；

4)将步骤2)获取的气体压力-减压波速度曲线及步骤3)获取的天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线放置于同一坐标系中，然后不断改变CTOA值，使天然气管道的气体压力-减压波速度曲线与天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线相切，两曲线刚好相切时的CTOA则为天然气管道在当前工况下实现自身止裂需要的止裂韧性。

步骤2)所述的BWRS状态方程计算天然气管道的气体压力-减压波速曲线，按照如下公式计算：

其中，P为系统压力，kPa；ρ为气相或液相的密度，kmol/m³；R为通用气体常数，J/(mol·k)；T为系统温度，K；A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。

步骤3)所述的天然气管道裂纹扩展阻力方程，按照如下公式计算：

其中，P_a为止裂压力，MPa；σ_f为流变应力，MPa；t为管道壁厚，mm；M_T为鼓胀系数；E为弹性模量，MPa；σ_y为屈服应力，MPa；ε_l为颈缩开始时的有效塑性应变；K为材料常数；n是应变速率敏感性指数；r是管道半径，mm；V_f为裂纹扩展速度。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述的利用基于CTOA的双曲线模型确定管道止裂韧性CTOA的方法在具体操作时，通过改变管道的CTOA，使天然气管道的气体压力-减压波速曲线与压力-裂纹扩展速度曲线相切进而确定天然气管道自身止裂的临界止裂韧性，原理简单，计算精度高。

(2)该方法用于计算压力-裂纹扩展速度曲线的公式(1)和(2)由理论手段结合数值模拟得到，推导过程中未对材料及管道尺寸做任何假设，因此本发明对于任意钢级和管道尺寸均普遍适用，克服了传统方法适用性差的问题。

(3)该方法所确定的止裂韧性指标为管道CTOA，而非传统夏比冲击韧性、落锤撕裂能等参数，对于高钢级管道止裂韧性表征的更准确。一方面提高了管道止裂设计的可靠性，降低了长程裂纹扩展事故发生的可能性，另一方面可以显著节约管道生产及建设成本，应用价值高。

附图说明

图1为本发明确定管道止裂韧性CTOA的示意图；

图2为本发明中止裂韧性CTOA的计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明提供一种管道止裂韧性CTOA的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过BWRS状态方程获取天然气管道的气体压力—减压波速曲线，输入的参数包括：温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为气体压力-减压波曲线。其中，BWRS状态方程为：

其中，P为系统压力，kPa；ρ为气相或液相的密度，kmol/m³；R为通用气体常数，J/(mol·k)；T为系统温度，K；A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。

2)天然气管道压力—裂纹扩展速度曲线采用如下所示的公式1和2进行计算：

其中，P_a为止裂压力，MPa；σ_f为流变应力，MPa；t为管道壁厚，mm；M_T为鼓胀系数；E为弹性模量，MPa；σ_y为屈服应力，MPa；ε_l为颈缩开始时的有效塑性应变；K为材料常数；n是应变速率敏感性指数；r是管道半径，mm；V_f为裂纹扩展速度。

3)将步骤1)获取的天然气管道的气体压力-减压波速曲线及步骤2)获取的天然气管道的压力—裂纹扩展速度曲线放置于同一坐标系中，然后不断改变CTOA的数值，使天然气管道的气体压力-减压波速曲线与天然气管道的压力—裂纹扩展速度曲线相切，天然气管道的气体压力-减压波速曲线与天然气管道的压力—裂纹扩展速度曲线相切时的CTOA即为天然气管道自身质量的临界CTOA。

下面以具体实例进行说明：

(1)输送气体组分如表1所示，天然气温度为12℃,通过BWRS状态方程计算天然气管道的气体压力—减压波速曲线。

表1天然气组分

天然气组分	甲烷	乙烷	丙烷
				摩尔百分比	92％	6％	2％

(2)确定天然气管道的规格参数和输送压力P₀如表2所示，根据公式1和2计算天然气管道的压力—裂纹扩展速度曲线。

表2天然气管道参数

(3)根据气体压力-减压波速曲线与压力—裂纹扩展速度曲线得到管道止裂韧性CTOA＝8.2°，如图2所示。由此可知，当管道管材测试所得CTOA大于等于8.2°时，管道即使出现裂纹，也会因自身材料性能而止裂，不会发生长程扩展。

Claims (3)

1.一种确定管道止裂韧性裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据天然气管道设计要求，确定天然气管道的规格参数和最大设计输送压力P₀；

2)通过BWRS气体状态方程计算气体压力-减压波速度曲线；

3)利用基于CTOA的裂纹扩展速度预测模型构建天然气管道的裂纹扩展阻力方程，绘制天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线；

4)将步骤1)将步骤2)获取的气体压力-减压波速度曲线及步骤3)获取的天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线放置于同一坐标系中，然后不断改变CTOA值，使天然气管道的气体压力-减压波速度曲线与天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线相切，两曲线刚好相切时的CTOA则为天然气管道在当前工况下实现自身止裂需要的止裂韧性。

2.权利要求1所述的确定管道止裂韧性裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，BWRS气体状态方程为：

其中，P为系统压力，kPa；ρ为气相或液相的密度，kmol/m³；R为通用气体常数，J/(mol·k)；T为系统温度，K；A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，a，b，c，d，α,γ为方程特征参数。

3.权利要求1所述的确定管道止裂韧性裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，天然气管道的裂纹阻力方程为：

其中，P_a为止裂压力，MPa；σ_f为流变应力，MPa；t为管道壁厚，mm；M_T为鼓胀系数；E为弹性模量，MPa；σ_y为屈服应力，MPa；ε_l为颈缩开始时的有效塑性应变；K为材料常数；n是应变速率敏感性指数；r是管道半径，mm；V_f为裂纹扩展速度。

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