X80级钢管水压冲击试验
X80级钢管水压冲击试验
Duan Qingquan a,*, Zhang Hong a, Yan Feng a, Deng Changyi b
a Research Center of Oil & Gas Safety Engineering Technology, China University of Petroleum, Beijing, 102249,China
b Shashi Steel Pipe Works, China Petrochemical Group Corp., Jingzhou City, Hubei Province 434001, China
摘要
为了评价 X80钢管在我国高压油气管道中的应用前景，进行了静水压爆破试验。测试了 v101618.4 mm 直缝埋弧焊钢管在5种压力水平下的变形和屈服强度。当环向应力小于1.1 SMYS 时，管道正常变形为弹性均匀变形，最大应变小于0.3% 。讨论了管道压力-体积曲线的坡度分布。
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Ⅰ.引言
随着人们对油气需求的不断增加，高压油气管道得到了广泛的应用。对于管道使用者来说，这显然是非常有吸引力的，因为它可以增加操作压力，而操作压力必须低于管道工程中管道的试验压力。测试应该几乎限制在水平约90% 的规定最低屈服强度(SMYS)的管道材料在许多国家。很少有管道测试到100% SMYS 的水平。在管道工程中进行静水压爆破试验，验证管道的完整性。新钢种或新焊接方法的质量要求和使用。大直径、高强度、高压管道的众多制作方法的采购人员也需要进行试验。在钢管工程中，通常可以通过试验获得最大压力和爆破压力等强度。研究了拉兹管道的全尺寸断裂现象(Azevedo & Sinatora，2004; Chen & sutherland，2006)、超压传动(Ellis & Gdaniec，2001)、冲击(Palmer，Touhey，Holder，Anderson，& Booth 2006)和腐蚀(Hardie，Charles，& Lopes，2006; Netto，ferr，& Estefen，2005)。尽管对输气管道的设计具有重要意义，但对管道变形的研究报道很少。本研究旨在探讨 X80钢管在静水压力作用下的变形与强度。
Ⅱ.实验
采用 JCOE 工艺生产的 X80钢管，外径1016 mm，壁厚18.4 mm，纵长10 m。试样由液压泵组成的喷油试剂盒加压。采用静态应变仪测量了变形量。在测试过程中，压力传感器、应变片和流量传感器的信号通过基于工业计算机的数据采集系统进行监测。应变片安装在管道上，如图1,2 #~15 # 母材，16 # ~19 # 焊接。结果表明: 18 # 钢中存在孔洞缺陷，19 # 钢中存在线性缺陷，18 # 钢中存在孔洞缺陷。
根据美国材料试验协会 ASTM E-2001规定，在钢板轧制方向为 l 的拉伸轴上，对 X80管材进行了单轴所用材料试验。试样的几何特性如表1所示。母体金属的化学成分为碳0.040% ,锰1.81% ，硅0.027% ，磷0.01% ，硫0.0005%。
负载模拟加压的管道静水压力，这是进行了五个步骤。首先，管道在压力约70% SMYS 的条件下放置约24小时，以核实没有发生泄漏之前，被解压为零。其次，压力增加到90% 左右。接下来的压力是105% 的 SMYS 和110% 的 SMYS。最后，管道被不间断地加压直到爆裂。
Ⅲ.结果和讨论
三条试样在单轴拉伸测试和数据列于表1。试样的杨氏模量和泊松比分别约为200gpa 和0.3。屈服强度比 SMYS 提高约12.8% 。X80的 SMYS 为552mpa。
图2-5显示了管道在四种循环载荷作用下的应力-应变曲线。当最大压力低于1.1 SMYS 时，管道变形为均匀弹性变形。在加载过程中，应变随压力线性增大而增大。当管道降压到零时，没有残余变形。焊缝应变比母材低20-30% 。缺陷对焊缝变形没有影响。在塑性变形发生后，短暂的平台期和随后的硬化遵循管道的压力-应变行为。在破坏发生之前，位于15号应变计附近的管道最薄弱部位的变形迅速增大，形成局部隆起。初始断裂点位于母材中。裂纹扩展程度与管道轴线平行，并在母体金属中止裂，如图6所示。
在水压试验中，压力-体积曲线(p-v 曲线)的压力、体积或割线斜率可作为控制参数。P-v 曲线与 X80管线钢的应力-应变曲线相似。该管道没有明显的屈服点，但在超过比例限制后承受大应变。作为控制参数的压力和容积的最大值很难确定。图中线弹性阶段的割线斜率是合适的控制参数，对管材屈服极限敏感。由于新线的斜率，斜率下降了几个百分点。新直线与 p-v 图的交点可以是停止水压试验的数值。
x80管道的 p-v 曲线如图7和图8所示。水平轴表示注入流量与管道体积之比。当水可以受到影响时，这个比等于体积的变量。管材的屈服强度(Ps 值为26.33 MPa)为母材的116% ，相当于128% 的 SMYS。爆破压力约为27.40 MPa。压力-容积曲线是线性拟合的，可以表示为
Y =13.83X-1.87
（Y 型压力，x 型体积变化）
斜率偏移量在0.5-5% 范围内的新曲线可以与压力-容积曲线相交。交叉点表示水压试验的最大压力，并列在表2中。斜坡偏移小于4% 的管道尚未进入明显的屈服阶段。
Ⅳ.结论
本研究对 X80钢管进行了水压爆破试验，并对试验结果进行了优化，以测试管材的变形和屈服强度。结果表明，即使最大试验压力为110% ，达到规定最小屈服强度的管材也不会发生明显变形。当压力-容积图的坡度偏移量收集到控制变量时，1% 到2% 的范围不会损坏管道。
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