油气管道断裂扩展及止裂技术研究.pdf

第 4 5卷第 2期 2 0 1 6年 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 5 ． N 0 ． 2 F e b r u a r y，2 0 1 6 油气管道断裂扩展及止裂技术研究 王 旭 中国石油大学 北京 北京 1 0 2 2 4 9 摘 要近年来我国油气管道发展迅猛，同时也伴随着种种隐患，其中断裂及裂纹扩展问题复杂而多变， 引起的后果也尤为严重。简述了油气管道断裂的内在原因及外在影响因素。介绍了在管道断裂方面的国内的研 究现状及进展，也阐述了在裂纹扩展以及断裂控制领域国内的研究成果。为管道断裂 、裂纹扩展及止裂问题的 进一步研究，提供了参考。 关键词管道断裂；裂纹扩展；止裂 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 6 0 2 0 3 3 2 0 4 The Te c hn o l o g y S t a t us o f Fr a c t ur e Pr o pa g a t i o n a nd Cr a c k Ar r e s t o f Pi pe l i ne s W ANG Xv C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t I n r e c e n t y e a r s ， t h e p i p e l i n e s o f o i l a n d g a s d e v e l o p e d r a p i d l b u t a v a r i e t y o f ris k s we r e a c c o mp a n i e d ． F r a c t u r e a n d c r a c k p r o p a g a t i o n i n p i p e l i n e s a r e c o mp l e x an d c h a n g e a b l e ，wh i c h c a n c a u s e p a r t i c u l a r l y s e r i o u s c o n s e q u e n c e s ．I n t h i s p a p e r ， u n d e r l y i n g c a u s e s a n d o u t s i d e f a c t o r s t o c a u s e t h e o i l a n d g a s p i p e l i n e r u p tur e s we r e d e s c r ibe d ，t h e r e s e a r c h s t a tus a n d p r o g r e s s i n t e r ms o f p i p e l i n e r u p tur e s we r e a l s o i n t r o d u c e d ，a n d t h e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s i n t h e fie l d o f c r a c k p r o p a g a t i o n a n d f r a c tur e c o n t r o l we r e s u mma r i z e d ． Ke y wo r d s P i t Ie l i n e f r a c tur e ； Cr a c k p r o p a g a t i o n ； Cr a c k a r r e s t 油气管道从制造到施工以及工作运行中，很难 免会产生一些裂纹。究其原因 1 材料本身 母材分层夹渣。 2管道加工 焊接焊缝 。 3 施工过程 表面机械损伤 ，现场焊接。 4运行过程 腐蚀 、裂纹扩展。 管道上的裂纹随着时间和环境变化扩展 ，当扩 展到一定情况，达到起裂条件时，扩展则会失稳， 速度猛增 取决于材料 的性质和温度 ，破坏巨大。 这种破坏在输气管道中尤为明显，在管内高压气体 作用下，管道一旦破裂将扩展绵延数百米甚至上千 米。 鉴于运送流体易燃易爆的特点 ，油气管道一旦 破裂泄露，后果必然是灾难性的。因此，研究管道 破裂的过程 ， 特别是对输气管道破裂后的止裂研究 ， 对于管道的长期安全运行、以及减少管道断裂、降 低破裂损失具有重要意义。 1 管道断裂研究 1 ． 1 脆性断裂研究 脆性断裂表现为以材料表面、内部的缺陷或微 裂纹为源 ，在较低 的应力水平下 通常不 超过材料 的屈服强度 ， 在无塑性变形或只有微小塑性变形的 情况下裂纹急速扩展。在 出现宏观裂纹后裂纹的扩 展速度迅速上升到某个极限速度 ，大约可达声波在 该材料中传播速度的三分之一 。在多晶体材料中， 断裂是沿着各个晶体内部的解理面产生的．但由于 材料中各个晶体及解理面的方向是变化的，因而断 裂表面在外观上呈现粒状。脆性断裂有时主要沿晶 界产生 ，因而称为晶间断裂。脆性断 口较平齐 ，且 与正应力相垂直 ， 断口附近的截面 ， 在厚度 上的收 缩很小，一般不超过 3 ％。断口上常有人字纹或放 射花纹。由于脆性断裂前很难发现预兆，断裂时又 容易产生很多碎片 ，是一种非常危险的突发事故 ， 危害较大。 在油气管道运营以来 ，发生过很多管道脆性断 裂事故 ，世界管道史上最早也是最严重 的一次脆性 断裂事故发生在 1 9 6 0年 ，在美 国 T r a n s We s t e r n直 径为 7 6 2 m m、壁厚为 9 ． 5 mm的管线上进行气压试 验时发生，破坏时环向应力仅为 0 ． 6 3 S MY S ，而断 裂总长为 l 3 ． 3 6 k m。 此事故以后引起全世界的关注 ， 并促进了断裂力学及断裂动力学的发展。我国最大 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 O 一 2 1 作者简介 王旭 1 9 9 1 一 ，男，河南南阳人 ，在读硕士研究生，2 0 1 4年毕业于中国石油大学 北京 过程装备与控制工程专业，目前就读干中 国石油大学 北京 石油与天然气工程专业硕士，从事于油气储运安全方面的研究。E - m a i l w a n g x 一1 9 9 1 1 2 6 ． C O [B 。 第 4 5卷第 2期 王 旭 油气管道 断裂扩展及止 裂技 术研 究 3 3 3 的一次输油管道脆性断裂事故发生于 1 9 7 4 年冬， 在 目前管道大范围屈服断裂评估方法中，现有的 大庆至铁岭输油管道复线进行气压试验时 ，爆破时 断裂力学方法具有很大 的局限性 。出于此种考虑 ， 环向应力接近 S M Y S ，裂缝长度约 2 k m 。另据四川 韩克江 等介绍 了现阶段管道断裂评估的研究进 石油管理局统计，四川气田 1 9 7 0 1 9 9 0 年间共发生 展，并从四个方面基于应变的断裂评估和失效评 1 0 0余次输气管道断裂事故，大都是焊缝处脆性开 估图、基于约束校正的断裂韧性测试和基于断裂力 裂⋯ 。 学的双参数等方面加以详细论述。S E N T试件是基 脆性断裂的产生是 由于在承压状态下 ，管道工 作温度低于钢管材料 的韧脆转变温度 F A T r 所致 。 后来 随着材料加工工艺的提高 ，管材韧性的加强 ， 脆性断裂大量减少 ，与此同时延性断裂事故却不断 增加。 1 ． 2 延性断裂研究 延 性断裂是 在较大 的塑性 变形之后发生 的断 裂 。 它是由于裂纹 的缓慢扩展而造成的 ， 而 这种裂 纹扩展又起源于孔穴的形成和合并。延性断裂的断 口表面外观特征为无光泽的纤维 状。 大多数多晶体 金属的拉伸试验的延性断裂有三个明显的阶段。首 先 ，试样开始出现局部“ 颈缩” ，并在 “ 颈缩 ”区 域产生小 的分散 的空穴 ，接着这些小空穴不断增加 和扩大并聚合成微裂纹，裂纹方向一般垂直于拉应 力方 向。最后 ，裂纹沿剪切面扩展到试件表面 ，剪 切面方向与拉伸轴线近似成 4 5 。。 这三个阶段就构 成了通常所见的典型的 “ 杯锥”失效断面。 由于管径增加， 输送压力提高， ， 引发了一系列 延性断裂事故，促使了这一领域研究工作的开展， 研究的重点是延性断裂的启裂、扩展和止裂。由于 钢管制造 、 施工等方面的原因， 以及可能存在的腐蚀 坑 、应力腐蚀 、腐蚀疲劳裂纹 ，大大增加了启裂 I n i t i a t i o n o f a f r e t u e r 的可能性 。因此 ，在研究材料韧 性与临界裂纹尺寸相关性的同时，人们更加重视裂 纹失稳扩展的防止。 1 ． 2 ． 1 断裂力学方法发展 白永强 等通过对油气管道内表面半椭圆型裂 纹的断裂分析评估，一种在原基础上改进过 只 分 估算公式得以提出。并通过使用三维 F E计算得到 了 ．， 积分 的全塑性解 ，其变量分别为径厚 比、裂纹 深度与长度比 、裂纹深度与管壁厚 比等。同时给出 了精确度较高的、 基于 G E ／ E P R I 的沿裂纹尖端的积 分预测，为进一步研究油气管道断裂开拓了路径。 基 于瞬变 电磁技术 ，埋地 管道 的壁厚及缺 陷 得 以检测 ，从而使埋 地管道 断裂的应力和可靠性 分析成为可能。黄琼 结合 断裂力学 、权函数和极 限分 析的理论和方法 ，得 到了新 的计算应力强度 因子的表达式 ，使得埋地管道的断裂失效分析更 为简单实用 。 于约束校正的管道断裂韧性测试的主要方法之一 ， 韩克江 等重点 阐述 了基于此的断裂评估的研究现 状及存在 的一些主要问题。展示了基于应变的断裂 评估方法的前人工作成果，并主要从驱动力方程和 C T O D失效准则两个方面给予了详细分析。其论述 内容及研究成果为管道大范围屈服断裂评估奠定了 基础。 对于存在环向表面裂纹的海洋石油管道，李杰 利用权函数的方法研究其断裂可靠性问题 ，得到 了能够满足工程精度要求的计算应力强度因子的表 达式。使用极限分析方法建立起了带裂纹的海洋石 油管道断裂可靠性评估模型 ，并且基于此模型导出 了断裂失效概率和可靠度 的计算公式。计算结果表 明应力强度因子与裂纹长度和深度呈正相关；当 弯矩不变 ，其他项为随机变量时 ，带裂纹的海洋管 道的可靠度与裂纹深度和长度 、管道壁厚和半径无 关，与轴力均值呈负相关。 金伟良 等详细介绍了基于 F A D的断裂评估技 术，利用此技术可得到管道任何位置的极限裂纹长 度，包括不同受力状态下的含焊接裂纹管道；然后 阐述了英国规范 B S 7 9 1 0 1 9 9 9应用于海底石油管道 断裂评估方法 ，通过基于此断裂评估的疲劳评估方 法，可得到管道在复杂动荷载作用下的疲劳寿命。 这些方法对我国海底石油管道的发展及断裂疲劳评 估提供了一定的参考 1 ． 2 ． 2 冲击实验法 利用夏比冲击实验，吴金辉 等分析了管道材 料在受到冲击载荷作用时，断裂过程中力的变化、 冲击吸收能量和宏观断 口关系。利用引进剪切面积 这一技术指标来描述材料抵抗裂纹扩展的能力。最 后指出管道材料韧性完整评价必须从夏 比冲击功和 剪切面积两个方面人手。 为研究X 8 0 大口径三通的低温断裂韧性和尺寸 效应，王海涛 等通过夏比冲击、落锤撕裂和三点 弯曲试验结合失效评估图技术进行了探索。结果表 明对低温夏比冲击实验，X 8 0大口径三通具有良 好表现，相反低温落锤撕裂，表现较差；基于三点 弯曲试验计算的X 8 0 三通失效评估点均在处于安全 区域 。 化 工 2 0 1 6年 2月 于最大切线方向的应力准则 ，倾斜角度较大的疲劳 裂纹可利用理论计算的位移量来准确预测 ，而倾斜 角度较小的疲劳裂纹的扩展路线的预测 ，只能通过 实验测得 的位移量来实现。 基于 国产 X 7 0 ，X 8 0管线钢的夏 比冲击试验 C V N 和单拉伸试验， 陈福来“ 等利用实验测得的管 线钢 C V N和力学性能指标 ， 计算并分析了对管道断 裂扩展速度有影响的诸如流变应力 、C V N冲击功 、 径厚比以及管体外围环境等因素的影响，对下程实 际应用有一定的指导意义。结合减压波速和裂纹扩 展速度 ，基于速度准则陈福来[ 1 9 1 编译了程序 ，为 实际工程的止裂设计提供了支持。 2 ． 2 有限元模拟 通过有限元模拟埋地管道在跨越断层条件下管 道 的裂纹扩展情况，王鹏- ， q 分析了管道壁厚 、 管径 、 倾角和表面摩擦等因素对管道裂纹扩展的影响。记 录了不同情况下裂纹的扩展轨迹 、裂纹长度和深度 以及静载荷作用下 J 积分，为研究工程实际管道的 裂纹扩展过程提供了参照和理论依据。 基于有限元软件 A B A Q U S建立起的内表面裂 纹管道的三维线弹性有 限元模 型 ，祁 涛等‘ ‘ 利用 P a r i s 公式分析裂纹的扩展， 得到了在不同载荷作用 下 ，管道 内表面非中心裂纹的扩展规律和路径 ，以 及裂纹偏移角度对裂纹扩展的影响。其计算结果与 中心裂纹的分析结果 比较表明基于 L B B分析 ，裂 纹的偏心对泄露裂纹计算存在影响 ，而裂纹稳定性 分析 中则与裂纹是否偏心无关 。 不排除输气管道裂纹扩展过程中的衰减情况， 白 永强 利用建立 的有限元模型实现了裂纹动态扩展 模拟。分别计算分析了影响动态裂纹扩展的两项参 数 能量释放率和裂纹尖端张开角。进一步分析得到 了结论 管道内压与管道裂纹扩展正相关 ； 管道壁厚 对裂纹扩展有较大影响； 止裂长度与裂纹尖端张开角 正相关 ；最大裂纹速度越大，止裂难度越高。 关于输气管道裂纹动态扩展 中的流体结构断裂 相互作用 问题 的力学模型 ，帅建 州 等将其归纳为一 维梁模型、圆柱壳模型和有限元模型 3 种。并通过 研究表明对高韧性钢 ，可通过确定裂纹尖端张开 角来改进现有的止裂韧性预测方法 ，从而避免传统 的 C V N和 D W3 T方法产生的与断裂无关能量损失 ； 为控制动态延性断裂裂纹扩展造成的危害 ，止裂韧 性值和裂纹扩展长度均有预测必要 ；可通过采用适 应裂尖运动情况的重新划分网格技术来改进现有 的 有 限元模拟方法。 输气管道的止裂可通过加强管道 自身韧性或者 曹欢 通过对不同方法测试 的管道材料断裂韧 性参数 的综合比较 ，结合已有的研究成果 ，总结 出 测试高钢级管道钢断裂韧性 的最佳参数是 t厂 积分和 C T O D 。 通过对 X 8 0 管道材料在低温f 0 和常温f 2 6 cc 的实验， 证明了C T O D和J 积分参数在高钢级管 道钢 中的适用性。同时还研究了 X 8 0 管道断裂韧 性 ，以及 C T O D和 ‘厂 积分在管线轴向和横 向这两个 方向上的的 J - C T O D关系，为下一步高钢级管道的 断裂韧性研究提供了参考。 1 ． 2 ． 3 模 型法及综合方法 郑洪龙 基于油气管道脆性断裂和弹塑性断裂 事故的分析 ， 在双判据法的基础上， 提出了改进双判 据法和和双系数法用来解决确定『生 问题。 而后又引入 了模糊概率断裂分析方法来解决不确定性问题。 通过建立新的输气管道减压波模型，宫敬等 ‘ 研究 了发生相变时的减压波特性 ，并计算分析 了气 质 、 压力 、温度等对减压波传播的影响， 得到结论 减压波特『生 随着重组分的增加、压力的增大和温度 的降低将由气体单相转变为气液两相。实验验证了 该模型的准确性 ，为进一步研究输气管道断裂过程 中的减压波特性奠定了基础。 基于断裂力学原理 ，盛燕 引 建立起了大管径含 穿透裂纹管道的有限元模型 ，在静载荷作用下得到 了应力强度因子 ，绘制 了应力强度 因子和不同断裂 参数之间的变化规律图，从而得到了修正因子。在 平面裂纹尖端应力强度 因子公式的基础上 ，进一步 的修正得到了管道裂纹尖端应力强度因子的修正系 数 F的表达式 ，从而为大管径油气管道的完整J l生评 估提供了理论支撑。 魏东吼” 等总结了数值计算、断裂力学、双判 据及简化的工程评定等对含缺陷油气管道断裂失效 的评定方法 ， 重点分析介绍了利用 F A D即失效评定 图的管道完整性评定方法。 并且提出了基于 F A D的 油气管道含周向裂纹 的完整性评定的主要方法 ，为 保障油气管道的安全运行提供 了技术保障。 2 裂纹扩展及控制研究 2 ． 1 实验法 为研究油气管道中裂纹扩展初始阶段曲折角度 的影响因素 ，马有理等 ‘选取了退火预裂纹 ，其应 力比 船 一 1 ，分别取 3 0 。 、4 5 。 、6 0 。的倾斜角 度，详细考察了裂纹初始阶段在混合型应力作用下 的扩展路线 。结合静载荷作用下测量的裂纹扩展路 线分布。实验研究结果表明 开 口和滑移方向上的 位移量的理论值在倾斜角度较小时大于测量值。基 第 4 5卷第 2期 王 旭油气管道断裂扩展及止裂技术研究 3 3 5 外加止裂构件来实现 ，陈福来 。 等详细介绍了不同 [ 3 ] 黄琼l基于T E M检测 对管 道的 断 裂 失效分 析与 安全 评 估[ D ] ．南昌 止裂方法和构件 的止裂原理 以及相关的优缺点。重 南昌 航空 大学 ， 叭 ’ 点 介 翌 并 评 析 于 裂 兰 张 1咎 道2 9 -大 范3 9 ． 明服断裂评估的研究现状与进 预测模型 ，比较全面阐述了基于最低夏 比冲击功的 [ 5 ] 李 验带环向 表 裂纹 海洋 管道的 断 裂计 算与 可靠 性评 估[ J 】 ． 止裂计算公 式 以及近年来在该领域取 得 的研究成 中国 农业大 学 学报，2 0 0 6 ， 1 1 4 8 9 9 3 ． 果。指 明了未来管材的发展趋势 ，为管道设计研究 [ 6 ] 金 伟良 ，付勇，赵冬岩 ， 等具有裂 纹损 伤的 海底管 道断 裂及 疲劳 评估 以及管道安全维护提供了依据。 『J ]．海 洋 工 程 ， 0 0 5 ,2 3 3 一 ‘ 。 管 _ 簦 篓 积 艚 道断裂过程中减压波速的计算。非等熵效应在小管 [ 8 ] 炎 ，等． 8 大 径三通低温断裂韧性试验『 J l_ 油气 径 中较为明显 ，所 以陈福来口 建立等熵理论模型和 储运。 2 0 1 4 3 3 3 3 0 6 3 1 4 ． 非等熵理论模型来分别计算求解减压波速 。并且编 [ 9 ] 曹欢l 亩钢级油 气管线 钢的 断裂韧性研究[ D ] _ 武汉 武汉 理工大 译了基于三特征线法求解气体减压波的程序，分析 学 ，2 0 0 9 ‘ 翌 登 气 的 ． 10 ] 究 指出气体减压波速与起始压力、起始温度、介质和 ～ 工 业 ，2 0 0 _ 7 3 ． 管道直径均有关联。 [ 1 2 ] 盛 燕．钢质管 道穿 透裂 纹的 断裂 分析 研究[D ] ．黑龙 江大庆 大庆 石 3 结语及展望 2 0 1 1 年西气东输二线工程全线贯通 ， 这是国内 首次在天然气管道上大规模采用 X8 0钢 ， 标志着我 国已全面突破了 X8 0钢板 、钢管的相关技术标准。 该工程累计使用 X8 0钢 2 6 7万 t ，相 当于西二线之 前全球使用 X 8 0 钢 2 0 年的总和。 西气东输的工程实践表明我国在高钢级管道 施工 、天然气高压输送领域达到了国际一流水平 。 但在高钢级管道的基础研究领域，我们仍旧是亦步 亦趋 ，一直在追赶世界的脚步伫 。 随着 X l O 0钢管的进一步研发，对止裂技术提 出了更高的要求，研究高钢级管道断裂止裂技术的 迫切性与必要性进一步显现 。 参 考文献 、 [ 1 ] 李平全． 油气输送管道失效事故及典型案仍 J [ J ] ． 焊管， 2 0 0 5 7 7 6 8 4 ． [ 2]白永强 ，汪彤 ，吕梁海， 等． 油气管道内部轴 向表面半椭圆裂纹弹塑 性断裂分析『J ] ．石油化工高等学校学报， 2 0 0 9 ，2 2 3 7 l 一 7 4 ． 油学院， 2 0 0 7 ． [ 1 3] 魏东吼． 含缺陷油气管道断裂失效评定方法探讨 [ J ]． 石油规划设 计 ，2 0 0 9 ，2 0 4 1 1 0 ． [ 1 4]马有理 ，赵丽丽． 长输油气管道裂纹初始扩展特性l J 】 _哈尔滨工程 大学学报， 2 0 1 4 ， 3 5 4 4 2 6 4 3 1 ． [ 1 5]陈福来， 帅健 ．输气管道延性断裂的止裂结构及韧性确定方法『 J l_ 压 力容器， 2 0 0 6 ， 2 3 7 3 9 - 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