中俄东线OD 1422 mm埋地管道的断裂控制设计

中俄东线天然气管道是中国首条大口径OD 1 422 mm输气管道,途经东北严寒地区,钢级为X80、设计压力为12 MPa,其断裂控制设计是难点。结合断裂失效模式,明确了该工程断裂失效的控制原则。根据中俄东线管输天然气组份、管道壁厚、流变应力、运行温度及管沟回填等参数,采用断裂力学理论及相关模型计算了钢管焊缝和热影响区的起裂韧性、钢管管体止裂韧性以及环焊缝的起裂韧性,制定了中俄管道的钢管和环焊缝韧性指标。对比工程推荐采用的指标,该断裂韧性推荐指标在符合计算需求量的基础上,均有一定的裕量,能够满足管道的断裂控制要求。同时为了确保管道吊装下沟时环焊缝安全,对管道的韧脆转变温度和下沟温度下限值提出了建议。     

管径1422mm的X80焊管断裂韧性指标北大核心

基于高压力、大口径、高钢级的中俄东线天然气管道断裂控制技术需求,研究了管径1 422 mm的X80焊管断裂韧性指标。为了防止焊管启裂,采用失效评估图技术,通过断裂力学分析,得出X80焊管的焊缝及热影响区夏比冲击功最小平均值为80 J;为了满足管道止裂要求,基于Battelle双曲线方法,并引入1.46倍系数修正,确定焊管母材的夏比冲击功最小平均值为245 J。通过对试制的管径1 422 mm的X80焊管进行冲击韧性测试和统计分析,结果表明其韧性水平整体较高,可以满足中俄东线天然气管道断裂韧性指标要求。     

大口径高压力复杂地形管道变形应力检测方法

中俄东线天然气管道具有超大口径、高钢级(X80)、高压力等级的特点,处于地质活跃的北部冻土与半冻土带,沿线易发生地质灾害,由此而来的非设计载荷会导致管道整体应力水平超过管道应变能力,给管道结构完整性与安全运行带来巨大挑战,采用高精度检测方法测量管道运行期间的应力是对管道进行安全评价的关键。针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,在利用超声LCR波检测管道应力理论及方法的基础上,测量了超声LCR波在X80钢弹性变形及塑性变形中的传播时间,探究了超声LCR波在X80钢弹性变形及塑性变形中的传播规律。在中俄东线天然气管道投产运行之初,形成可靠适用的管道应力测量工程应用技术,为其今后运维中的安全评估提供了技术储备。(图5,参19)     

管径1422mm的X80焊管断裂韧性指标

基于高压力、大口径、高钢级的中俄东线天然气管道断裂控制技术需求,研究了管径1 422 mm的X80焊管断裂韧性指标。为了防止焊管启裂,采用失效评估图技术,通过断裂力学分析,得出X80焊管的焊缝及热影响区夏比冲击功最小平均值为80 J;为了满足管道止裂要求,基于Battelle双曲线方法,并引入1.46倍系数修正,确定焊管母材的夏比冲击功最小平均值为245 J。通过对试制的管径1 422 mm的X80焊管进行冲击韧性测试和统计分析,结果表明其韧性水平整体较高,可以满足中俄东线天然气管道断裂韧性指标要求。     

高钢级天然气长输管道止裂控制技术现状

因高钢级（≥X90）管线钢难以依靠自身韧性止裂,同时缺乏适用于高钢级管线钢止裂器设计的相关准则,故对于向高钢级发展的国内天然气管道而言,在管道安全可靠性方面面临巨大挑战,而止裂控制问题是其中的关键。从理论研究和工程设计与应用两个方面系统梳理了天然气长输管道止裂控制技术的国内外发展历史与现状,介绍了相关计算公式和不同种类止裂器的功能原理,分析了当前止裂控制技术存在的问题与不足,指出了今后高钢级管线钢止裂控制的研究方向,对于促进高钢级天然气长输管道的发展具有指导意义。（图7,表1,参19）     

高强度管线钢裂纹扩展速度的计算

裂纹扩展速度是预测管线钢止裂韧性的重要参数。根据目前世界各国全尺寸爆破试验分析总结的裂纹扩展速度计算模型,即BTCM模型、HLP模型和Sumitomo模型,对X80管线钢的裂纹扩展速度进行了计算,研究了管径、壁厚和强度对裂纹扩展速度的影响。分析发现,HLP模型和Sumitomo模型计算裂纹扩展速度与高强度钢全尺寸爆破实测数据较为一致,而BTCM模型预测数据较实测结果偏离程度较大。采用3种模型的计算结果表明:当管道壁厚和强度增加时,最大裂纹扩展速度均减小,因而有利于管道止裂;管径增加,最大裂纹扩展速度增大,管道所需止裂韧性也相应增大。     

管件防脆断控制技术现状与思考

中俄东线天然气管道工程站场设计温度低至-45℃,对管道设施防脆断能力提出了新挑战,为了防止低温环境下服役构件发生脆性断裂,需要制定科学、合理的韧性指标要求。系统阐述了防脆断控制技术的发展历程:经验方法→断裂分析图法→断裂力学方法。以中俄东线天然气管道工程为例,分析了油气管道管件基于经验方法的防脆断技术现状,并对比分析了ASME BPVC(Boiling and Pressure Vessel Code)的防脆断控制要求,指出油气管道管件防脆断控制措施存在的不足。基于经验的夏比冲击韧性指标应用于高韧性管线钢时,可能存在不足以防止脆性断裂的风险,因此提出:①建立完善的基于断裂力学的高钢级高韧性管件防脆断控制指标体系;②在现有防脆断控制指标的基础上增加NDT(Nil-Ductility Transition)测试要求;③建立基于断裂力学评估的防脆断控制要求。(图5,表2,参24)     

中俄东线天然气管道运行保障关键技术

在中俄东线天然气管道投产后的运行阶段,因其高钢级、大口径、高压力、大输量的特点,且沿线途经高寒冻土区,故管道运行的不确定性因素多、风险高、维护与安全保障难度大。系统分析了中俄东线天然气管道在运行工艺方面面临的管网优化运行、冬季调峰、冰堵防治及放空回收等问题;在完整性管理方面面临的大口径管道内检测、高钢级管道安全状态评估等问题;在线路风险防控方面面临的天然气管道泄漏与安全状态监测、腐蚀、冻涨融沉防治等问题;在维抢修方面面临的管径1 422 mm管道的切割、退磁、修复等系列技术难题。归纳总结了国内外相关技术现状,提出解决问题的技术思路,总结了中俄东线天然气管道工程目前已取得的部分技术成果,以期为未来油气管道的建设与运营提供参考。(参52)     

油气管道全生命周期数据管理及其在中俄东线的应用

油气管道全生命周期数据管理是油气管道全生命周期完整性管理的基础,从数据模型构建、数字化移交标准、数字化移交接口开发、数据整合维护与分析应用几方面系统阐述了油气管道全生命周期数据管理技术的研究发展现状。结合中俄东线天然气管道数据管理需求,从数据内容扩充、数据组织结构优化两方面对PIDM数据模型进行优化升级,并在PIDM数据模型上增加了管道全生命周期各阶段数据的关联规则。制修订了CDP-G-OGP-IT-148—2019-1《油气管道设备设施运行数据规定》、Q/SY 05180.6—2019《管道完整性管理规范第6部分:数据采集》等系列标准规范,其中隐含了中俄东线天然气管道特有的业务要求和相应的数据规则。优化了管道完整性管理系统PIS功能:后台服务端扩展了矢量切片、WFS、Web Scene等先进GIS服务功能;前端开发了自定义制图、多语言支持、本地数据展示、共享视图、卷帘、时间轴、事件编辑器等丰富的数据展示、分析、维护功能。以上成果在中俄东线天然气管道北段取得了较好的实践应用效果。最后,提出了未来油气管道全生命周期数据管理急需解决的瓶颈问题。(图2,表2,参24)     

管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控研究进展

在研究氢脆发生机理与损伤机制时，常采用慢应变速率拉伸试验、疲劳寿命试验等手段，以力学性能、疲劳寿命等为指标衡量金属的氢脆敏感性。对于典型管线钢材料，其在不足5 MPa的氢气压力下，或在氢气体积分数10%的掺氢天然气环境中，已经在慢应变速率拉伸等试验中表现出明显的韧性下降、裂纹加速扩展等氢损伤特征。为模拟钢在氢气环境中服役，试验中常采用气相充氢与电化学充氢方法，前者能够模拟多种气相对管线钢氢脆的作用，后者能够快速模拟管线钢长时间服役后氢原子的渗透情况。针对氢脆过程及机理总结并分析了3种主要的氢脆防控技术：(1)调控管线钢材料与加工工艺，优化其微观组织，增加扩散速率，减弱氢原子聚集现象；(2)引入气体抑制剂，通过竞争吸附的方法减缓氢分子在材料表面的吸附；(3)增设管道内涂层，使氢气与管线钢基体金属隔离。并基于此提出进一步优化管道氢脆防控技术的建议。（图1，表1，参59）     

0．8设计系数下天然气管道用焊管关键性能指标

研究了0．8设计系数下天然气管道用焊管满足断裂控制要求的母材和焊缝韧性指标,评估了钢管100％SMYS水压试验的可行性。对于采用0．8设计系数、直径1219mm、设计压力12MPa的天然气管道,为防止钢管启裂,要求焊缝夏比冲击韧性最小平均值为80J;为满足管道止裂要求,要求钢管母材夏比冲击韧性最小平均值为260J。对管径为1219mill的X80钢管批量生产屈服强度数据的统计分析和评估结果表明：X80钢管进行100％SMYS工厂水压试验是可行的,但需要优选板材和钢管性能稳定的供货商,并严格进行水压试验后的钢管几何尺寸检测。（表4,图5,参6）     

国外X80管道钢管的研究与应用现状

综述了国外在高钢级X80管道钢管方面的开发和应用状况，管材的研究目前正向更高屈服强度、更高韧性和易加工的方向发展，使用高钢级管材是提高管道设计压力的主要途径，同时，在同样的设计压力下使用高强度管材可养活钢材的消耗量。以德国Ruhrags管道为例，介绍了国外高钢级管道钢管X80的实际质量水平，包括管道钢的合金化、控制轧制和控制冷却工艺，并就高钢级管道钢管的部分热点问题如富气输送、高钢级管道钢管的焊接和裂纹扩展止裂等进行了讨论和分析。     

X80钢管的焊接

基于天然气增长的需求，管道材料的研究正朝着高强度、高韧性以及优良的现场焊接性能等多方面发展。目前，高强度、长距离、大口径管道已成为输气管道的发展方向。从焊接方法、焊接材料等方面介绍了X80钢管的环缝焊接，并分析了X80管道钢的焊接性能。列举了国外一些X80管道建设的工程实例。     

直径1422mmX80管道环焊接头应变能力数值模拟方法

鉴于高钢级管材的组织特征及焊缝失效对于管道安全的重要影响,管道环焊缝承载能力成为当前管道行业的研究热点,以中俄东线全自动焊口为研究对象,准确考虑环焊接头根焊、热影响区、母材、填充焊4个区域材料本构关系的差异性,基于有限元方法建立了分析管道环焊接头应变能力的数值仿真模型。定量分析了母材屈强比、运行内压、载荷类型等组合工况下焊缝强度匹配系数等对管道环焊缝裂纹扩展驱动力的影响。采用静裂纹起裂的失效判定方法,以表观断裂韧性值为临界准则,结合中俄东线管材及环焊接头材料特性参数实际变化范围,计算了在设计工况范围内最不利条件下中俄东线环焊接头的应变能力。结果表明:提高焊缝区强度匹配能够有效减小接头的裂纹扩展驱动力,增加管道内压或提高母材屈强比会使相同强度匹配条件下的裂纹扩展驱动力更大,拉伸载荷下的裂纹扩展驱动力要大于弯曲载荷下的裂纹扩展驱动力。该方法既可以用于根据焊接接头性能要求指导焊接参数的确定,也可以用于在役管道含缺陷焊接接头的适用性评价。     

X80大口径三通低温断裂韧性试验

油气管道站场用管要求具有较高的低温抗断裂性能,尤其是三通等管件的壁厚较大,尺寸效应显著。为了确定低温服役的X80大口径三通的适用温度和壁厚,通过夏比冲击、落锤撕裂和三点弯曲试验研究了X80大口径三通的低温断裂韧性和尺寸效应,并利用失效评估图技术进行安全评估。结果表明：X80大口径三通具有较好的低温夏比冲击性能,但抵抗低温裂纹长程扩展的落锤撕裂性能较差。试验温度高于-20℃时,随着壁厚增大,DWTT断口剪切面积减小,在20℃、0℃和-10℃试验温度下的50％剪切面积临界壁厚分别为26mm、25mm和22mm。利用三点弯曲试验测得的低温断裂韧度计算的X80三通失效评估点均在安全区域内,而且有一定的安全裕量。（图7,表3,参12）     

X80管线钢性能特征及技术挑战

针对X80管线钢研发与应用现状以及目前存在的问题,综述了影响X80管线钢性能的主要因素、研究进展以及发展X80钢管道面临的技术挑战。详细分析了X80管线钢的冶金特征与组织结构,概述了X80管线钢的焊接工艺、焊接冶金学特征及性能,总结了X80管线钢的机械性能和力学特征。具体讨论了X80管线钢在服役环境中的失效机制,包括腐蚀、氢致开裂、焊缝区失效、应变失效等,并以此为基础,探讨了发展X80钢管道需要克服的技术挑战,以保障油气安全、高效输送以及能源管道的可持续发展。(图1,表8,参86)     

管道全尺寸气体爆破试验完整性评估技术

中国石油天然气管道建设飞速发展,但高压力、大口径以及X70钢级以上高强钢管材的长期服役状况和极限状态缺乏历史数据,不能准确评估管道运行风险。针对目前国内试验技术的现状,充分借鉴国外管道全尺寸爆破试验场的使用情况,研究了高钢级大口径高压气体管道爆破试验场的功能,分析了试验场针对管道长期服役失效的应用领域,以及各类试验所需要的测试参数。研究结果表明：建立系统的全尺寸爆破试验完整性评估技术手段,对于管道运行安全可靠性以及全生命周期管理是必要的,系统设计管道爆破试验场的参数和功能,可为我国建立管道爆破试验场提供数据支持,必将有利于管道完整性评估技术的发展,提高管道本质安全。     

采空区悬空天然气管道应力与应变模拟

采空区有可能造成地表沉降变形、碎裂甚至塌陷等次生地质灾害,易造成埋地管道的大范围变形甚至悬空。基于理想弹塑性模型,以某X70管道为例,考虑管道与土体的非线性、管道的几何非线性、土壤的物理非线性等因素,利用有限元软件ABAQUS建立采空区悬空天然气管道的有限元仿真计算模型。在内压、轴向力、外部载荷等共同作用下,分析X70悬空管道在不同悬空长度、不同内压、不同埋深条件下的应力应变变化,并采用双失效判别准则对其进行安全评估。结果表明:在充分考虑应力应变的变化趋势和变化速率基础上,通过双失效判据确定不同悬空长度管道所处的风险等级,可为采空区管道的完整性管理提供依据;内压对管道失效影响较大,当存在采空区塌陷时,需要临时降低管道内压以提高管道安全性能。     

X52石油管材的J积分试验研究

通过对X52薄壁管材断裂韧性的试验研究,包括试样制备、试验原理、试验程序等,得到了X52薄壁管材母材和焊缝材料的J积分值,为进一步研究该管材在石油管道工程中的承压能力和安全性等问题提供了理论分析依据。指出对这样的管材做小试样的J积分试验来测试其断裂韧性既方便、合理,又经济。     

输油管道管壁凹陷的安全评价

输油管道在服役过程中,由于相邻公路扩建工程施工,使管道管壁产生大量凹陷,给管道的安全运行带来了事故隐患。基于这种缺陷类型,采用MSC／NASDTRN有限元分析软件和MPC／PRIFIS在役压力容器、管道适用性评价软件对管道安全性进行了计算评估。评估结果表明,在设计工作压力下管道凹陷部位仍有较大的安全裕度,但由于凹陷部位的应力集中,允许存在的临界裂纹型缺陷尺寸很小。为保证管道安全运行,需有效遏制凹陷部位裂纹型缺陷的产生。