謝 萍,李 鶴

(1.中國(guó)石油西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830012；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)能源需求、尤其是對(duì)天然氣清潔能源需求的不斷加大，管道輸送對(duì)經(jīng)濟(jì)效益追求的不斷提高，近十多年來(lái)我國(guó)天然氣管道建設(shè)和技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，逐步建設(shè)了多條大口徑、高壓、高強(qiáng)度天然氣管道，特別是X80鋼管的建設(shè)和應(yīng)用逐漸增加[1-3]。在我國(guó)西部、中亞及中俄東線等管道建設(shè)中，高寒地區(qū)的壓氣站、輸配氣站場(chǎng)及閥室需要大量的站場(chǎng)鋼管[4]、彎管和管件，這些管材暴露在環(huán)境溫度下，冬季寒冷氣溫最低達(dá)-45 ℃，對(duì)X80鋼級(jí)(屈服強(qiáng)度≥555 MPa)管材，其屈服強(qiáng)度超過(guò)了目前低溫壓力容器鋼的鋼級(jí)水平(490 MPa)，低溫脆斷的敏感性相對(duì)較高。自西氣東輸二線使用X80鋼管并運(yùn)行近十年來(lái)，發(fā)生過(guò)站場(chǎng)管線三通處試壓脆性爆裂，霍爾果斯站二線進(jìn)站干線三通發(fā)現(xiàn)表面微裂紋等事件。高鋼級(jí)管線鋼因環(huán)境低溫帶來(lái)的問(wèn)題逐漸引起關(guān)注，急需掌握材料低溫冷脆斷裂控制的試驗(yàn)研究技術(shù)，并開(kāi)展全尺寸低溫止裂試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)管材低溫脆性斷裂控制的有效性驗(yàn)證[5]，為降低我國(guó)低溫服役管材失效概率和后果、實(shí)現(xiàn)我國(guó)高壓天然氣管道的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

評(píng)價(jià)高鋼級(jí)管材的低溫性能指標(biāo)有多項(xiàng)，目前較為困難的是管材的低溫止裂性能，因此本次試驗(yàn)僅僅考慮高鋼級(jí)管材在某一溫度下的止裂性能，針對(duì)該種試驗(yàn)考慮管材的制冷和冷媒的選擇、試驗(yàn)裝置的設(shè)置、試驗(yàn)實(shí)施方式等。

1 試驗(yàn)介質(zhì)及制冷

1.1 介質(zhì)選擇

通過(guò)文獻(xiàn)查詢，發(fā)現(xiàn)國(guó)外開(kāi)展低溫試驗(yàn)采用的是低溫酒精作為冷媒，而本次試驗(yàn)考慮到安全因素，采用乙二醇與水的混合溶液作為試驗(yàn)介質(zhì),制冷通過(guò)外加低溫氮?dú)獾姆绞綄?duì)試驗(yàn)介質(zhì)降溫至需要的試驗(yàn)溫度。

1.2 制冷方式

本次低溫試驗(yàn)選在新疆哈密的中石油管道斷裂控制試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，需要將試驗(yàn)介質(zhì)調(diào)配好并預(yù)處理到一定的溫度后運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)。將乙二醇和水按照一定的比例分別注入到經(jīng)過(guò)改造的一定容積的低溫槽車(chē)內(nèi)，并攪拌均勻配制成乙二醇溶液。該槽車(chē)與另外一臺(tái)液氮車(chē)通過(guò)工藝管線連接，先將液氮通過(guò)汽化器加熱氣化，再通過(guò)管道將低溫氮?dú)鈴牟圮?chē)底部向槽車(chē)內(nèi)注入，并在液體溶液中鼓泡換熱的方式進(jìn)行制冷，多次循環(huán)且溫度均勻后構(gòu)成試驗(yàn)需要的冷凍液。通過(guò)液氮?dú)饣半娂訜峥刂频獨(dú)鉁囟鹊霓k法將乙二醇溶液冷卻至規(guī)定溫度，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)液體制備工藝

2 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

選用一根OD1 422 mm X80鋼管作為試驗(yàn)實(shí)施的裝置，鋼管兩端用球形封頭封堵。鋼管一端設(shè)置注入試驗(yàn)介質(zhì)的管線，另外一端上部設(shè)置排氣管線，下部設(shè)置排液管線，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖2所示，在管道斷裂控制試驗(yàn)場(chǎng)[6]，建設(shè)了一套能夠開(kāi)展此次試驗(yàn)的系統(tǒng):在管道斷裂控制試驗(yàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置OD1 422 mm X80試驗(yàn)管路，為確保試驗(yàn)管路內(nèi)介質(zhì)溫度便于控制，將試驗(yàn)管路外部采用丁腈橡膠和二烯烴彈性發(fā)泡體進(jìn)行隔熱。在試驗(yàn)管路上安裝應(yīng)變片和應(yīng)變花以及溫度、壓力、時(shí)間線等傳感器。在試驗(yàn)管路北端上部安裝液體注入管線，并用高壓軟管與地面管線相連接。地面新建一條直徑2 in(1 in=25.4 mm)、長(zhǎng)200 m的輸送管線，用于在遠(yuǎn)端注入低溫液體和低溫氮?dú)狻?/p>

在試驗(yàn)管路中間上部12點(diǎn)鐘位置處安裝線性聚能切割器，用于在管道中引入初始裂紋。試驗(yàn)涉及傳感器共5類(lèi)57個(gè)，通過(guò)測(cè)試線纜安裝在試驗(yàn)裝置上，同時(shí)連接至試驗(yàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便于信號(hào)的采集。

3 試驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管路及工藝系統(tǒng)安裝完并做完檢測(cè)和試壓合格后，具備試驗(yàn)條件開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：

1)乙二醇低溫溶液到達(dá)規(guī)定試驗(yàn)溫度后，利用低溫槽車(chē)與試驗(yàn)管路的高差(高差約1.5 m)將低溫乙二醇溶液通過(guò)低溫軟管注入試驗(yàn)鋼管。低溫溶液注入過(guò)程中需保證注液閥門(mén)和放空閥門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)。注液至試驗(yàn)管路總體積的85%左右，注液完成。

2)注液結(jié)束后安裝線性聚能切割器。

3)線性聚能切割器安裝完畢后，在鋼管上表面覆蓋干冰，并用保冷材料包裹好，以確保與外部環(huán)境的隔熱效果。

4)打開(kāi)試驗(yàn)管路北端上部的放空管閥門(mén)，向試驗(yàn)管路注入低溫氮?dú)獯祾咭欢螘r(shí)間，將試驗(yàn)管路內(nèi)殘存空氣吹掃干凈。

5)關(guān)閉試驗(yàn)管路北端上部的放空管閥門(mén)，持續(xù)注入低溫氮?dú)馍龎褐?2 MPa，并仔細(xì)觀察試驗(yàn)管路內(nèi)溫度的變化情況。

6)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)壓力和溫度滿足試驗(yàn)要求后，關(guān)閉氮?dú)庾⑷腴y門(mén)，打開(kāi)高速及普通攝像機(jī)電源，準(zhǔn)備試驗(yàn)影像采集。

7)在確認(rèn)人員撤離和數(shù)據(jù)采集工作正常后，在遠(yuǎn)端引爆線性聚能切割器，同時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試57個(gè)通道，獲取有效數(shù)據(jù) 56 個(gè)，數(shù)據(jù)采集率 98.2%。試驗(yàn)管道全長(zhǎng)9.8 m，初始裂紋在試驗(yàn)管路北側(cè)擴(kuò)展3.8 m，在南側(cè)擴(kuò)展3.7 m。裂紋在南北兩側(cè)2.5 m位置，速度已經(jīng)降到100 m/s左右，在此速度下可以實(shí)現(xiàn)止裂[7]，如圖3所示。

圖3 裂紋擴(kuò)展速度

溫度傳感器27個(gè)全部采集到溫度，其中管內(nèi)液體溫度-8.1 ℃，管內(nèi)上表面氣體溫度-3.0 ℃，鋼管外側(cè)上表面溫度約-2.5 ℃。如圖4和圖5所示。

圖4 鋼管外表面溫度傳感器測(cè)試結(jié)果

圖5 溫度測(cè)量安裝截面圖

在裂紋啟裂和擴(kuò)展過(guò)程中，在斷面中央出現(xiàn)局部脆性特征(三角區(qū)，斷口分離)，但是按照現(xiàn)有DWTT斷口評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，脆性區(qū)面積在15%以內(nèi)。部分氣體爆破試驗(yàn)斷口形貌與DWTT斷口形貌相吻合，爆破試驗(yàn)斷口形貌如圖6～圖9所示。

圖6 爆破試驗(yàn)斷口啟裂區(qū)形貌

圖7 爆破試驗(yàn)斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

圖8 爆破試驗(yàn)斷口止裂過(guò)渡區(qū)形貌

圖9 爆破試驗(yàn)斷口止裂區(qū)形貌

本次試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)鋼管整體溫度在-2.5～-8.1 ℃之間，1 422 mm X80鋼管斷口呈現(xiàn)典型45°剪切斷口特征，裂紋擴(kuò)展為韌性擴(kuò)展；驗(yàn)證了中俄東線鋼管在-5 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，可以實(shí)現(xiàn)自身止裂。

4 結(jié) 論

通過(guò)本次試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)鋼管上表面的溫度控制至關(guān)重要。因?yàn)椴捎冒霘怏w爆破試驗(yàn)，即試驗(yàn)鋼管管容三分之二是液體，上部三分之一是氮?dú)?，而鋼管上表面的溫度是通過(guò)低溫氮?dú)鈧鳠崴?，因此注入低溫氮?dú)獾乃俣忍旎蛘咛疾蝗菀讓?shí)驗(yàn)鋼管上表面的溫度降低至所需的溫度。

2)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集使用高速動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，采集響應(yīng)速度快，傳輸速度快，并且在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和站控室均設(shè)置同步傳輸系統(tǒng)。

3)本次所做試驗(yàn)為OD1 422 mm X80鋼管低溫止裂試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及試驗(yàn)斷口形貌分析，證明該規(guī)格管材選取245 J止裂韌性指標(biāo)在-5 ℃下可以實(shí)現(xiàn)止裂。