呂成秀，張曉霞，劉勝斌，汪 超，劉迪龍

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

新疆煤氣輸送管道工程項目是中國石油化工集團有限公司牽頭的一項重大工程，該工程管道途徑廣東省，實現(xiàn)把新疆地區(qū)的天然氣輸送到浙江省。該工程項目所使用的鋼管鋼級為X80M，外徑1219 mm，壁厚為18.4～22.0 mm。該項目需要突破和解決的技術(shù)問題與所運輸?shù)奶烊粴獾男再|(zhì)有關(guān)，即這種天然氣中含有由煤炭氣化產(chǎn)生的氣體，該氣體中含有一定量的H2（氫氣）和CO2（二氧化碳），該氣體將會影響到鋼管阻止延遲開裂的能力。目前大多數(shù)的管道工程項目，輸送的氣體組分一般為4%的CO2和8%的H2，且輸送壓力約為12 MPa。

1 延遲開裂擴展控制技術(shù)簡介

延遲開裂擴展是由裂縫端部到尾部流體的膨脹釋放的能量所驅(qū)動。在開裂擴展過程中，裂紋尖端會產(chǎn)生一個應(yīng)力集中點，且周圍也會產(chǎn)生一個大的塑性變形場，這將會導(dǎo)致鋼材加工硬化，以及裂紋尖端前方管道的橢圓化和扁平化。在穩(wěn)態(tài)條件不變的情況下，延遲開裂以恒定的速度傳播，這個速度由鋼材的局部氣壓和韌性之間的平衡所決定：如果韌性降低，開裂速度就會增加，這樣就可能達到新的穩(wěn)態(tài)條件；如果韌性增加，開裂速度就會下降，那么一個新的穩(wěn)態(tài)也會形成。但當(dāng)韌性足夠高時，不會達到穩(wěn)態(tài)擴展條件，開裂就會減弱，并向螺旋方向轉(zhuǎn)變，并達到最終的止裂效果。

在發(fā)生延遲開裂擴展的情況下，通常通過設(shè)定能夠確保開裂止裂的最低韌性來控制延遲開裂的擴展，如使用最小的夏比沖擊功，并根據(jù)給定的模型計算，最常用的是雙曲線模型。該模型將鋼管韌性或阻力和驅(qū)動力分開考慮，驅(qū)動力是由氣體減壓引起的，是氣體成分、溫度和內(nèi)壓的函數(shù)，而韌性取決于鋼管材料和幾何特性。

雙曲線法適用于鋼管運行壓力≤12 MPa，鋼管等級≤X80M（API 5L），夏比沖擊功≤100 J 的焊管。當(dāng)預(yù)測的止裂韌性＞100 J 時，則需要采用一個適當(dāng)?shù)男拚蜃?。?dāng)超出驗證范圍時，一般通過全尺寸試驗來評估或驗證材料的開裂性能，這種全尺寸試驗被認(rèn)為是適用于現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)庫之外的管道設(shè)計的最普遍的方法。

輸送流體組合物可以顯著增加所施加的驅(qū)動力，從而影響止裂能力。因此，在預(yù)計管道失效的情況下，評價流體成分對其減壓的影響非常重要。在本項目中，大部分流體是CH4，其中的H2和CO2含量有限。由于輸送氣體中H2含量較少，故對本項目設(shè)想的氣體組成的影響不大。但H2可能影響材料的韌性，導(dǎo)致管線鋼的氫脆。在碳鋼管道中，氣態(tài)氫存在時脆化的嚴(yán)重程度取決于氣體壓力和鋼的微觀結(jié)構(gòu)特征。對碳鋼材料中氣態(tài)氫遷移引起的脆化進行研究，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)和循環(huán)載荷下，如果鋼管一旦存在缺陷時，材料的脆化開裂韌性就會減小，材料在存在氣態(tài)氫時的韌性阻力可以根據(jù)適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)進行評估。另外，少量CO2的存在會影響氣體減壓曲線。

與減壓過程中壓力不斷降低的輸送天然氣的管道相比，超臨界/液態(tài)CO2管道輸送CO2的管道將暴露在一個基本恒定的臨界壓力下（氣體減壓曲線的平臺），這意味著可以施加更大的驅(qū)動力。CO2管道滯留壓力的計算應(yīng)通過具體的開裂滯留試驗或現(xiàn)有的開裂試驗數(shù)據(jù)庫進行驗證，并應(yīng)充分考慮安全因素，在某些試驗中即使飽和壓力低于預(yù)測的止裂壓力，致密相富CO2混合氣管道仍然可能發(fā)生開裂擴展。

2 雙曲線校正系數(shù)的選定

雙曲線法是評估抗延遲開裂擴展最低韌性值的最公認(rèn)的方法之一，是在一個特定的測試條件范圍內(nèi)得到的驗證。本項目由于氣體成分主要是CO2和H2，已經(jīng)超出了這個驗證范圍，故不能適用。

為了正確預(yù)測在其驗證范圍之外的韌性要求，包括根據(jù)過去的實驗經(jīng)驗，并盡可能接近被評估的情況，需要采用適當(dāng)?shù)男拚蜃印⒋罂趶剑ā?14 mm）和高壓力X80M 管道全尺寸開裂擴展試驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫與雙曲線預(yù)測值進行比較，結(jié)果表明預(yù)測值乘以1.43 的系數(shù)就足以保證開裂擴展點不出現(xiàn)在擴展/停滯邊界以下。在實施完近期的試驗測試后，該修正系數(shù)更新為1.46，其在測試數(shù)據(jù)范圍內(nèi)得到普遍認(rèn)可，但如果超出這一范圍則需要重新進行計算和驗證。

為得到該項目的最佳修正系數(shù)，收集X80M 輸送鋼管進行的延遲開裂擴展試驗的數(shù)據(jù)，其中不包括為本項目和在俄羅斯進行的試驗（俄羅斯試驗沒有包括在內(nèi)，因為沒有關(guān)于單個測試輸送鋼管韌性性能的詳細(xì)資料，只有每次試驗中使用的輸送鋼管的平均夏比V 形切口值）。

將雙曲線法預(yù)測到的最小夏比V 形缺口沖擊功與實際沖擊功進行比較，可以看出雙曲線法在預(yù)測X80M 鋼管的最小止裂條件方面的效果并不是很好（圖1）。實際上，位于雙曲線法預(yù)測（1∶1 的斜率線）之上，可以確定修正因子的保守值為1.46（所有的開裂傳播實際上都可以應(yīng)用這個修正因子）。

圖1 沖擊功比較

3 止裂計算軟件

作為該項目的主要成果，有關(guān)公司開發(fā)了開裂止裂計算軟件，它能夠處理不同的鋼管幾何形狀、鋼級和條件的溫度、壓力和氣體成分，即純凈氣體和含有多種物質(zhì)的混合氣體，其中包括CO2和H2兩種氣體。

在本項目中，評估焊管全尺寸爆破試驗對于潛在擴展韌性開裂的最低韌性要求時，采用CATC（止裂韌性計算模型）工具。例如，雙曲線模型規(guī)定，當(dāng)驅(qū)動力與阻力曲線相切時定義為止裂所需的最小開裂韌性值，以94%天然氣（即99%甲烷）、1%氮氣、2%二氧化碳和3%氫氣的混合氣體為增壓介質(zhì)，壓力為12.0 MPa，與397 MPa（0.72 SMYS）的環(huán)向應(yīng)力相對應(yīng)。這就是下面所描述的全尺寸試驗所用的氣體成分，具體計算結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯瑢τ诰唧w的項目條件而言，較低的CO2百分比不會嚴(yán)重影響減壓曲線。

圖2 雙曲線模型圖表

CATC 軟件也允許用戶考慮使用一個特定的修正系數(shù)，在本項目中，X80M 鋼級設(shè)定的修正系數(shù)在1.46～1.65。因此，最低韌性要求亦已根據(jù)采用的修正系數(shù)作出修正（表1）。

表1 雙曲線預(yù)測的未修正和修正的最低韌性值J

4 全尺寸爆破試驗和敏感度分析

為了確定選用鋼管的抗延遲開裂擴展的能力，本工程所采用的是鋼級X80M，外徑1219 mm、壁厚18.4～22.0 mm 的鋼管進行全尺寸爆破試驗，鋼管的運行壓力為12 MPa。

試驗段使用的鋼管是由不同的制造廠家生產(chǎn)的，試驗段總長111.5 m，由11 根鋼管（其中1 根為引管，10 根為試驗管）組成。試驗段的西側(cè)采用壁厚18.4 mm 的螺旋埋弧焊焊管，東側(cè)采用的是壁厚22 mm 的直縫埋弧焊焊管，同樣試驗引管也采用的是直縫埋弧焊焊管。

實驗鋼管裝上實驗儀器后將全部埋起來，然后加壓、將目標(biāo)氣體混合物的壓力加到12 MPa，并通過安裝在引管（爆炸點）上的炸藥引爆鋼管，管壁溫度（約+15 ℃）足以保證鋼管的延遲開裂擴展。開裂在試驗管上以極高的速度向兩個方向定期注入和擴展，同時它又靠裂紋開裂部位及其后方的氣體減壓產(chǎn)生的驅(qū)動力來維持。通過實驗管沿線安裝適當(dāng)?shù)碾姎饣瘜?dǎo)線（即“定時導(dǎo)線”）對試驗過程中開裂的擴展速度進行測量評估，根據(jù)每根定時導(dǎo)線在試驗管上的位置和開裂發(fā)生的時間，計算出局部速度。

該實驗與CATC 模型預(yù)測結(jié)果相一致，開裂在起爆管內(nèi)擴展，并在西側(cè)（W1 管）和東側(cè)（E1 管）的第一根鋼管內(nèi)止裂。盡管這兩種鋼管的韌性值有些分散，但仍然可以認(rèn)為，本實驗與X80M 鋼管的預(yù)測是一致的（修正因子為1.46～1.65）。止裂均呈現(xiàn)典型的螺旋化軌跡，尤其是W1 管上的螺旋焊縫對止裂沒有影響。斷口表面的分析表明，所有開裂擴展完全是延遲的。

5 結(jié)論

（1）雙曲線法是評估抗延遲開裂擴展最低韌性值的公認(rèn)方法之一。當(dāng)氣體中含有CO2和H2兩種物質(zhì)時，要適當(dāng)?shù)匾胄拚蜃?.46。

（2）通過爆破試驗驗證，鋼級為X80M，外徑1219 mm、壁厚18.4～22.0 mm 的焊管具有良好的延遲開裂止裂能力，能夠滿足項目要求。

（3）利用CATC 和PICPRO 軟件聯(lián)合進行改變氣體成分的敏感度分析試驗，斷口呈現(xiàn)完全的延遲開裂形貌，無材料脆化跡象。