蘭洪強(qiáng),劉繼銀,梁 政,張 毅,趙軒剛
(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都 610017;2.中國石油西氣東輸管分公司蘇浙滬管理處,江蘇南京 320100;3.西南石油大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059;4.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠,陜西榆林 719000)
天氣氣管道冷凍封堵技術(shù)作為一種新型的天然氣管道維搶修技術(shù),有著封堵壓力高、避免了在管道避免開孔、不用清管、施工作業(yè)時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn),但是天然氣管道管材經(jīng)過深冷后其力學(xué)性能是否和深冷前一樣,這是一個(gè)不容忽視的問題;若經(jīng)過深冷后其力學(xué)性能下降則會在后期輸氣過程中留下安全隱患,同時(shí)也會影響天然氣管道冷凍封堵技術(shù)的大力推廣與應(yīng)用,因此設(shè)計(jì)相應(yīng)工況下的常用天然氣管道管材的力學(xué)性能測試是排除這種安全隱患的唯一途徑;與此同時(shí)得到的測試結(jié)果還能為優(yōu)化天然氣管道冷凍封堵技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)提供依據(jù)。
根據(jù)選定試驗(yàn)機(jī)的要求,按標(biāo)準(zhǔn)制備了拉伸試驗(yàn)樣品、沖擊功試驗(yàn)樣品、壓縮試驗(yàn)樣品并分別編號。樣品試件和分組編號(見圖1)。
此次對試件進(jìn)行深冷所選用的冷凍劑為干冰,其接觸溫度為-70℃,與天然氣管道冷凍封堵技術(shù)所用的冷凍介質(zhì)相同,將制備的干冰和試件放入聚氨酯保溫箱,對試件進(jìn)行深冷;冷凍時(shí)間為12 h,該時(shí)間大于天然氣管道冷凍封堵施工過程中的冷凍時(shí)間。冷凍結(jié)束后取出試件,在常溫下恢復(fù)8 h,恢復(fù)該時(shí)間小于等于天然氣管道冷凍封堵后的解凍時(shí)間,恢復(fù)期結(jié)束后分別對試件進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能測試。
拉伸實(shí)驗(yàn)是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的實(shí)驗(yàn)方法。利用拉伸實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和其它拉伸性能指標(biāo)。
20#鋼屬于低碳鋼,在承受壓縮荷載時(shí),起初變形較小,力的大小沿直線上升,當(dāng)超過比例荷載后,變形開始增快,此時(shí)顯示荷載減慢或基本不變或有所回落的現(xiàn)象,這表明材料已達(dá)到屈服,此時(shí)的荷載即為屈服荷載。屈服階段結(jié)束后,塑性變形迅速增加,試件截面面積也隨之增大,而使試件承受的荷載也隨之增加,這時(shí)試件被壓成鼓形,最后壓成餅形而不破壞,其強(qiáng)度極限無法測定。
測定鋼材的沖擊韌度,觀察破壞情況,并進(jìn)行冷凍前后性能比較。
把金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)試件,安置在沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)坐上,使它受沖力而折斷。記錄試件折斷所消耗的能量。將能量用帶缺口的截面積相除,所得的數(shù)值為材料的沖擊韌度。
對試件進(jìn)行拉壓試驗(yàn)用WE300A液壓萬能實(shí)驗(yàn)機(jī),對試件進(jìn)行沖擊功試驗(yàn)用300/150擺錘式機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)。
記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù),并將其制成表格,其中拉伸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)(見表1),壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)(見表2),沖擊功實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)(見表3)。
(1)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表2 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(2)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表2)。
(3)沖擊功實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表3)。
表3 沖擊功實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.2.1 拉伸實(shí)驗(yàn) 將深冷組和對比組拉伸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)取平均值(見表4)。
表4 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
由表4可以看出深冷后的測試數(shù)據(jù)和拉伸實(shí)驗(yàn)對比組的各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)相比變化很小,其屈服強(qiáng)度在承壓范圍內(nèi)。
2.2.2 壓縮實(shí)驗(yàn) 將深冷組和對比組壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)取平均值(見表5)。
表5 壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
由表5可以看出,實(shí)驗(yàn)前試樣的幾何偏差很小,這可以說明此次對比結(jié)果的準(zhǔn)確性,深冷后的測試數(shù)據(jù)和拉伸實(shí)驗(yàn)對比組的屈服壓力偏差很小,其屈服強(qiáng)度在承壓范圍內(nèi)。
2.2.3 沖擊功實(shí)驗(yàn) 將深冷組和對比組沖擊實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)取平均值(見表6)。
表6 沖擊功實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
由表6可以看出,深冷后的測試數(shù)據(jù)和拉伸實(shí)驗(yàn)對比組的沖擊功偏差很小,其剪切屈服強(qiáng)度在承壓范圍內(nèi)。
由表4~表6可以看出,20#鋼材在固體干冰冷凍環(huán)境中冷凍12 h后,在自然環(huán)境中恢復(fù)8 h,測試的拉壓和沖擊性能與冷凍前變化很小,其力學(xué)性能與未經(jīng)過冷凍→恢復(fù)環(huán)境溫度→恢復(fù)承壓狀態(tài)過程的20#鋼材力學(xué)性能參數(shù)沒有明顯變化,因此這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以有力的作為天然氣管道冷凍封堵技術(shù)在冷凍環(huán)節(jié)不會對鋼材的性能產(chǎn)生任何影響的佐證,為冷凍封堵技術(shù)在天然氣管道中的運(yùn)用及推廣提供了安全保障,同時(shí)也為天然氣管道冷凍封堵技術(shù)的冷凍時(shí)間界限、解凍時(shí)間等各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。
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