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。     

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。     

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)     

输气管道裂纹动态扩展的数值模拟

作为输气管道止裂控制的重要依据,必须要求其裂纹驱动力小于管道材料的断裂韧性,在这种情况下进行裂纹动态扩展的数值模拟就显得非常重要.建立了输气管道裂纹动态扩展的有限元模型,用弹塑性、大位移四边形的壳体单元离散管道.裂纹尖端后面的气体压力简化为指数衰减模式.裂纹的开裂采用节点力释放方法来模拟,即根据裂纹扩展速度,依次解除裂纹尖端的节点连接.裂纹驱动力用能量释放率G和裂纹尖端张开角CTOA两个断裂力学参量表示.分析了裂纹驱动力随内压的变化规律.提出的计算模型可为输气管道的止裂设计提供分析工具.     

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）     

关于西气东输工程管道止裂问题的思考

管道的断裂分为脆性断裂和延性断裂两大类,随着理论研究的深入和冶金工业的发展,脆性断裂问题已基本解决。而在输送压力和钢材等级提高以后,延性断裂及其止裂成为主要的研究领域。对于止裂问题,着重阐述了缺陷的允许值及临界裂纹长度与起裂、管道止裂的Rudinger试验、Battelle止裂试验和止裂条件,以及定货规范中对CVN值的要求等理论问题。根据我国目前有关止裂问题的理论与实际研究现状,提出了深入开展止裂研究的若干重大建议以及管道试压介质选择必须注意的问题。     

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）     

长输管道裂纹脆性和韧性的失稳扩展及止裂

一、前言裂纹失稳扩展的研究和控制对长输管道来说是非常重要的。受压容器和工厂管网的配管,一旦起裂会立刻遭到全部破坏,这是因为这些构件太短的缘故,因而对它们来说,主要是研究和控制起裂,而失稳扩展及其止裂的研究却似乎是没有意义的。对长输管道来说情况却大不相同,虽然起裂的研究对长输管道也很重要,在国内外已有不少人做过大量的工作,但更重要的还是一旦起裂以后能使失稳扩展的裂纹得到早期止裂,以     

关于西气东输工程中管道止裂问题的思考

管道的断裂分为脆性断裂和延性断裂两大类，随着理论研究的学入和冶金工业的发展，脆性断裂问题已基本解决，而在输送压力和钢材等级提高以后，延性断裂及其止裂成为主要的研究领域，对于止裂问题，着重阐述了缺陷的允许值及临界裂纹长度与起裂，管道止裂的Rudinger试验，Battelle止裂试验和止裂条件，以及定货规范中对CVN值的要求等理论问题，根据我国目前有关止裂问题的理论与实际研究现状，提出了深入开展止裂研究的若干重大建议以及管道试压介质选择必须注意的问题。     

不同强度匹配的X80钢环焊接头力学性能及变形能力

环焊接头的强度匹配与韧性对管道服役安全至关重要。为了更深入掌握环焊缝的失效机理,采用力学性能测试、微观分析等方法,测试了两种不同强度匹配的高铌X80钢环焊接头的组织和性能,并借助数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)研究了焊接接头在拉伸载荷下的应变行为。结果表明:低强匹配与高强匹配的环焊接头均具有较好的冲击韧性,二者的夏比冲击吸收能量平均值相当。在拉伸载荷下,应变集中最先出现在环焊缝的根焊及热影响区部位。随着拉伸载荷的增加,高强匹配环焊接头的应变集中逐渐转移至母材,管道承受轴向载荷及变形的能力大于低强匹配环焊接头;低强匹配环焊接头虽具有较好的韧性,但因其在焊缝及热影响区存在塑性应变累积效应,易发生断裂。(图9,表4,参22)     

含杂质超临界CO_2管道减压波波速的预测模型

超临界CO_2管道断裂会在裂纹两端产生减压波,其波速计算是预测和控制管道断裂的关键。基于GERG-2008状态方程,结合均相流动模型与气液两相流声速计算模型,建立了含杂质超临界CO_2管道的减压波波速预测模型,并开发了相应的计算程序,分析了单元非极性杂质、单元极性杂质、多元混合杂质对超临界CO_2管道减压波曲线的影响。结果表明,非极性杂质的混入使超临界CO_2管道减压波曲线的平台压力升高,更易与管道断裂曲线相交,加剧管道断裂风险;极性杂质的存在能够小幅度降低超临界CO_2管道减压波曲线的平台压力,减小管道断裂风险。该模型可为管道止裂及杂质成分控制提供理论依据。(图4,表2,参25)     

中俄东线站场X80异径三通低温韧性指标的确定

针对中俄东线站场低温环境(-45℃)用X80异径三通断裂控制问题,考虑三通的壁厚效应、结构的应力集中等影响,建立含缺陷X80异径三通有限元模型,应用BS 7910-2019《金属结构裂纹验收评定方法指南》和API 579-1/ASME FFS-1-2016《合于使用》中的失效评定方法,计算X80三通管体及焊缝的启裂韧性,通过断裂韧性与夏比冲击功关系式,确定了-45℃下X80三通夏比冲击韧性指标。结果表明:三通焊缝断裂韧性应大于37.79 MPa·m~(1/2),夏比冲击功单个最低值不小于32.22 J;三通管体肩部内表面应力强度因子最大,其断裂韧性应大于42.46 MPa·m~(1/2),夏比冲击功单个最低值不小于38.85 J。结合国内外管件标准要求,确定了中俄东线天然气管道工程用直径1 422 mm×1 219 mm的X80异径三通的低温韧性指标。(图5,表3,参19)     

长输管道的韧性设计

为保证长输管道系统的安全可靠，韧性设计是管道设计的重要指标，足够的韧性可以延缓或阻止断裂事件的进程。管道韧性设计基本出发点是安全性和经济性，综合平衡这两方面因素，并在断裂力学的基础上，提出了管道韧性设计的基本原则，即开裂控制原则，裂纹扩展的止裂原则和封口形原则。开裂控制原则提出了根据ＣＶ与钢管全壁厚临界缺陷尺寸的关系曲线，来确定相应管道对于开裂控制的韧性设计要求；裂纹扩展的止裂原则是根据Ｗ．Ａ．ｍ     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。     

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。     

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。     

断口分离对X90焊管断裂阻力影响试验

高钢级管道输送是世界天然气管道发展的必然趋势,其中X90 管道裂纹长程扩展的阻力是研究的重点内容之一。为了明确断口分离对X90 焊管断裂阻力的影响,选取中国小批量试制的X90焊管开展了夏比冲击试验(Charpy V-Notch Test,CVN)和落锤撕裂试验(Drop-Weight Tear Test,DWTT),对比分析了CVN 与DWTT 的能量关系、断口分离对DWTT 断裂阻力的影响。研究结果表明:对于X90 焊管,当CVN 能量密度小于450 J/cm^2 时,DWTT 与CVN 的能量密度呈线性关系,二者增长速度一致;当CVN 能量密度超过450 J/cm^2 时,DWTT 与CVN 的能量密度不再呈线性关系,随着CVN 能量密度增加,DWTT 能量密度缓慢增加。断口分离主要降低了DWTT 总能量中的裂纹扩展功,对起裂功无显著影响。与CVN 试样相比,全厚度的DWTT 试样能够更准确反映断口分离对裂纹扩展阻力的降低作用。     

中俄东线站场工艺管道用高钢级低温钢管韧性指标

中俄东线天然气管道是中国首条OD 1 422 mm大口径输气管道,途经东北严寒地区。基于此,对比分析国内外标准规范,明确了天然气管道站场工艺管道断裂控制设计原则、最低设计温度选定要求,包括:(1)站内工艺管道断裂控制,关键是要防止管道发生起裂,钢管应具有足够的断裂韧性。对于起裂后的断裂扩展控制和落锤撕裂试验(Drop Weight Tear Test,DWTT)指标,应视工程具体情况并结合国内低温钢管的生产水平综合确定。(2)最低设计温度应考虑正常运行操作、放空、节流以及停输保压等工况下金属壁温可能达到的最低温度,针对站场工艺管道用X70、X80钢管确定管道的最低设计温度等于最低环境温度。(3)针对油气输送管道站场地上工艺管道,建议最低环境温度取最低日平均温度。结合理论计算和钢管实物性能参数,提出了中俄管道站场工艺管道用X70、X80钢管的低温韧性指标,对今后类似工程有一定的借鉴意义。     

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。     

管道完整性管理系统的权限控制设计

管道完整性管理系统(Pipeline Integrity Management System,PIS)作为油气管道行业的企业级管理信息系统,承担着保障油气管道安全平稳运行的重要任务。以PIS实际业务的应用情况为出发点,总结、分析其需求特点,结合基于角色的访问控制模型(Role-based Access Control,RBAC)基本思想,提出了一种适用于管道完整性管理系统的权限控制方法。通过权限逻辑配合业务逻辑、粗细粒度相结合的原则,实现了PIS中各种层级的权限控制。研究表明:该设计方法方便灵活、简单实用且扩展性强。通过PIS的验证发现,该权限控制方法能够较好地满足基于B/S架构的具有复杂业务功能的企业级管理信息系统对权限控制的要求。