徐 亮，梁才萌，吳紹泉，歐廣超

（帕博檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 珠海 519050）

壓潰屈曲及屈曲的傳播是深水海底管線管在外壓作用及自身缺陷下的特有現(xiàn)象，一旦發(fā)生屈曲及屈曲傳播，不僅大大增加了管道修復(fù)所需的費用，同時也會對環(huán)境造成嚴(yán)重的影響［1-12］。當(dāng)前，油氣輸送管道在深海鋪設(shè)和在役運營過程中的受力性能和屈曲失穩(wěn)引起了廣泛的關(guān)注。在鋼管實物試驗方面，周承倜［13］等利用壓力容器和千斤頂?shù)妊b置進(jìn)行了Φ529 mm×8 mm管道的屈曲試驗，其主體是一個充水壓力容器，管道與壓力容器連接處采用“活動式橡膠”密封，試驗段長2 m，承壓能力不足1 MPa；天津大學(xué)自主研制了深水石油專用構(gòu)件的全尺寸試驗裝置（深海壓力艙），該裝置總長11.5 m，承壓能力43 MPa，利用該裝置進(jìn)行了規(guī)格為Φ325 mm×10 mm、Φ325 mm×6 mm、Φ406 mm×10 mm，管道長度為8 m的全尺寸管道壓潰試驗［14］；龔順風(fēng)［15］等采用密閉的壓力缸進(jìn)行了規(guī)格為Φ10.62 mm×0.5 mm、Φ11.12 mm×0.56 mm、Φ11.42 mm×0.51 mm，長度為200 mm 316不銹鋼鋼管的壓潰試驗，壓力缸內(nèi)徑為80 mm、高度為300 mm，缸體可以承受50 MPa的內(nèi)壓；寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡稱寶雞石油）設(shè)計制造的深海高壓模擬試驗艙主要用于水深3 500 m以內(nèi)鋼管的內(nèi)、外部壓力試驗，艙內(nèi)容積為Φ2 500 mm×5 000 mm，模擬深海壓力0～35 MPa，利用該裝置進(jìn)行了Φ914 mm×36.5 mm×3.6 m規(guī)格X70鋼級直縫埋弧焊管35 MPa的穩(wěn)壓試驗［16］。由此可見，由于壓潰試驗對試驗裝置的要求非常高，國內(nèi)真正進(jìn)行高強度、高韌性、大壁厚、小徑壁比深海輸送管線實物的壓潰試驗非常少，即使是寶雞石油的實物試驗也只是做到了保壓35 MPa，而沒有測得鋼管的極限壓潰壓力值。

中東至印度深海管項目MEIDP（Middle East to India Deepwater Pipeline），要通過水深達(dá)3 500 m、長度近1 000 km的深海，管道將承受高達(dá)35 MPa的外部壓力，管道的抗壓潰性能是其中的一個關(guān)鍵檢驗項目。為了對成品鋼管的抗壓潰性能進(jìn)行檢測，國內(nèi)某鋼管廠設(shè)計制造了管環(huán)壓潰試驗裝置，在生產(chǎn)試制過程中采用長度為50 mm的管環(huán)壓潰試驗裝置來檢驗鋼管的抗壓潰性能。采用管環(huán)壓潰試驗而不是全尺寸鋼管壓潰試驗的理由如下：①全尺寸鋼管壓潰對試驗裝置要求極高，具備能力的試驗裝置極少，試驗安裝及完成周期長，而且費用昂貴，一般一次試驗要花費10萬美金［17］，不適用于鋼管生產(chǎn)過程中的檢驗；②管環(huán)壓潰試驗因其設(shè)備相對簡單，操作方便，成本較低，在實際應(yīng)用時可以選取較多的試驗樣本數(shù)，試驗結(jié)果能夠代表生產(chǎn)鋼管的抗壓潰性能；③在長距離深海管線的鋪設(shè)和在役運行過程中，任何一根鋼管的局部壓潰都可能引發(fā)壓潰屈曲的傳播，導(dǎo)致整條輸送管線的失效。從理論上來說，最容易引起外壓壓潰的敏感性因素如橢圓度、壁厚在整個深海輸送管線的每根鋼管的每一段局部長度上都是同等概率存在的；因此，鋼管上截取管環(huán)，并進(jìn)行管環(huán)壓潰試驗也具有代表性。

1 試驗原理

試驗裝置的原理是通過上蓋、下部基座、矩形密封圈與試驗管環(huán)組成一個密閉的腔體，試驗管環(huán)內(nèi)部中空，外壁受壓，模擬鋼管處于內(nèi)部中空而外部受壓這種最危險的工況。試驗前通過注水口注入清水將腔體內(nèi)部空氣排空，然后由手動加壓裝置往腔體中繼續(xù)注入清水，嚴(yán)格按照加壓步驟逐步增大水壓，同時利用應(yīng)變儀、位移傳感器與壓力傳感器記錄試驗管環(huán)內(nèi)壁應(yīng)變、位移及水壓變化情況。外部水壓持續(xù)增加，導(dǎo)致試驗管環(huán)屈曲壓潰，壓力大幅下降時，試驗結(jié)束。由于當(dāng)試驗管環(huán)因變形偏離矩形密封圈位置，密封圈無法再起到密封作用，因此試驗過程中試驗管環(huán)無法被完全壓潰。

2 試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)

管環(huán)壓潰試驗裝置僅針對Φ691 mm×40.5 mm規(guī)格的鋼管，設(shè)計最高壓力為90 MPa，對于其他規(guī)格的鋼管可以依據(jù)相同的設(shè)計原理進(jìn)行設(shè)計制造。試驗裝置主體由上蓋、下部基座兩部件構(gòu)成，注水口及排氣口均設(shè)計布置在上蓋部分，上蓋和下部基座必須有足夠的厚度來保證試驗裝置的剛度，上蓋和下部基座在試驗前通過高強螺栓緊固連接。輔助裝置有應(yīng)變儀、位移傳感器、壓力傳感器、手動加壓裝置等。應(yīng)使試驗管環(huán)的內(nèi)徑空間與上蓋中心孔外部空間相通，中心孔必須具有足夠大的直徑，使固定在試驗管環(huán)內(nèi)壁的應(yīng)變片和與內(nèi)壁接觸的位移傳感器能與外部計算機相連接。試驗時，要求矩形密封圈能使管環(huán)相對于固定的上蓋和下部基座移動，同時仍保持試樣管環(huán)上下表面的密封壓力以形成密封腔。試驗管環(huán)不能與上蓋和下部基座的金屬部分接觸，在試樣安裝后使用萬用表進(jìn)行導(dǎo)電測試，確保不接觸。管環(huán)壓潰試驗裝置如圖1所示。

圖1 管環(huán)壓潰試驗裝置示意

3 試樣制備

管環(huán)試樣樣坯采用等離子切割機從Φ691 mm×40.5 mm規(guī)格、L485材質(zhì)的JCOE直縫埋弧焊管上截取，加工成長度mm、上下表面粗糙度Ra為1.6 μm的樣品，并去除焊縫余高，焊縫處與鄰近母材平滑過渡。管環(huán)試樣經(jīng)機加工，并測量尺寸后將其固定在下部基座的矩型密封圈上，隨后沿試樣周向以焊縫位置為零點每隔45°交替安裝應(yīng)變片和位移傳感器。位移傳感器和應(yīng)變片安裝位置如圖2所示。

圖2 位移傳感器和應(yīng)變片安裝位置示意

4 試驗流程

管環(huán)壓潰試驗屬于高壓試驗，因此試驗的每一步驟都必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，試驗加壓測試過程中采取安裝隔離防護(hù)罩的安全防護(hù)措施，保持足夠的安全距離，與試驗無關(guān)人員不得進(jìn)入試驗區(qū)域。管環(huán)壓潰試驗流程如圖3所示。試樣的測量除采用游標(biāo)卡尺和壁厚千分尺外，還需要應(yīng)用激光測量儀測量試驗管環(huán)的橢圓度，每隔22.5°測量一處的壁厚和內(nèi)徑尺寸。試樣管環(huán)在安裝完成后應(yīng)檢查與試驗裝置上蓋、下部基座是否導(dǎo)電，如果導(dǎo)電，則必須重新檢查密封圈及試樣的安裝情況，直至不導(dǎo)電才能進(jìn)行試驗。試樣的加壓采用手動加壓泵，在加壓壓力不大于理論壓力的60%時，加壓程序按理論壓潰壓力的6%，12%，18%，24%，30%，36%，42%，48%，54%，60%進(jìn)行；壓力在理論壓力的60%～90%時，按3%的間隔進(jìn)行加壓；當(dāng)壓力達(dá)到理論壓力的90%，加壓間隔按1%進(jìn)行，即加壓速度要非常緩慢，直至試驗管環(huán)被壓潰。在加壓至理論壓潰壓力的60%時，必須將各位移傳感器的平均位移與根據(jù)厚壁圓筒平面應(yīng)變狀態(tài)下的理論彈性位移進(jìn)行對比（此規(guī)格鋼管徑厚比D/t為17.1），在兩者基本一致的情況下才能證明試驗有效（因為試驗管環(huán)與密封圈之間存在摩擦力，無法完全一致）。

厚壁圓筒平面應(yīng)變狀態(tài)下管環(huán)內(nèi)壁的理論彈性位移u為：

圖3 管環(huán)壓潰試驗流程

式中P——外壓，MPa；

E——楊氏彈性模量，MPa；

b——圓筒外徑，mm；

a——圓筒內(nèi)徑，mm。

5 理論壓潰極限值

對于鋼管在承受外部壓力時的抗壓潰極限值，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛研究，并有多個國際標(biāo)準(zhǔn)給出了設(shè)計計算公式，認(rèn)為DNV-OS-F101《海底管線系統(tǒng)規(guī)范》是最適用于深海應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)［18］。在試驗過程中采用DNV-OS-F101—2012中的公式計算理論壓潰極限值（公式2～7）。理論壓潰極限值是材料規(guī)定總壓縮強度、初始橢圓度及壁厚的函數(shù)。規(guī)定總壓縮強度通過橫向壓縮試樣測定。

式中Pc，Pel，Pp——理論、彈性、塑性壓潰壓力，MPa；

fo——橢圓度，mm；

Do——實測鋼管外徑平均值，mm；

tnom——名義壁厚，mm；

tfab——制造壁厚公差，mm；

ν——泊松比；

Fy——屈服強度，MPa，等于規(guī)定總壓縮屈服強度RTCt0.5；

αfab——制造因子，為1.0；

Dmax，Dmin，De——最大、最小、實測鋼管外徑，mm；

tmin——管環(huán)樣品實測最小壁厚，mm。

根據(jù)實測試樣尺寸，利用公式（6）～（7）［4］及每件管環(huán)試樣E、RTCt0.5等材料性能數(shù)值計算出理論壓潰極限值。

6 試驗結(jié)果

對管環(huán)試樣進(jìn)行尺寸測量，壓縮屈服強度測試，然后計算出理論壓潰極限值，再按照試驗程序進(jìn)行管環(huán)壓潰試驗，試驗前后的管環(huán)壓潰試樣情況如圖4所示，典型的平均位移-理論位移曲線和位移-壓力曲線及應(yīng)變-壓力曲線如圖5～6所示。

圖4 管環(huán)壓潰試樣情況

圖5 典型的彈性階段理論位移與實際位移比較曲線

圖6 典型的位移-壓力與應(yīng)變-壓力曲線

國內(nèi)某鋼管廠為MEIDP項目生產(chǎn)試制了Φ691 mm×40.5mm規(guī)格L485材質(zhì)的JCOE直縫埋弧焊管，在生產(chǎn)試制過程，進(jìn)行了該鋼管的管環(huán)壓潰試驗，部分試驗結(jié)果見表1。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，管環(huán)壓潰試樣的壓潰壓力值均高于3 500 m海水水壓35 MPa及DNV-OS-F101—2012標(biāo)準(zhǔn)公式計算的理論壓潰極限值。

以上試驗結(jié)果中，最高壓潰極限值為71.0 MPa，最低為60.6 MPa。從整體上來說，試驗結(jié)果證實了管道的橢圓度和壁厚制造精度是兩個顯著影響管道抗壓潰性能的敏感性因素。

7 結(jié) 語

（1）MEIDP項目3 500 m深水用管線管采用管環(huán)壓潰試驗方法進(jìn)行鋼管抗壓潰性能的檢驗是適宜的，設(shè)備相對簡單、操作簡便、費用較低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可達(dá)到持續(xù)重復(fù)的抗壓潰極限試驗結(jié)果。

表1 典型壓潰試驗結(jié)果

（2）鋼管的橢圓度和壁厚制造精度是影響鋼管抗壓潰性能的敏感性因素；試驗結(jié)果遠(yuǎn)超35 MPa的海水壓力值，表明了具有高強度、大壁厚、小徑壁比（D/t）和較小橢圓度等特性的管線管是提高深水管道抗壓潰性能的重要保證。