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。     

管道的断裂问题

本文结合我国几年前曾发生过的一些管道断裂事故,分四部分进行了论述:第一部分谈到转变温度,第二三部分讲述了延性断裂起裂的判据和影响断裂的几个因素,最后谈到止裂问题。     

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）     

输气管道的气压试验技术

随着我国天然气管道建设的快速发展，在施工过程中不断出现一些新的急需解决的技术问题，如特殊地段的大口径、高压输气管道试压问题就是其中一例。介绍了目前国内外输气管道气压试验技术的应用及发展现状，分析了气压试验时管道的断裂和止裂问题，并针对高压、大口径输气管道的特点，提出了今后的研究方向。     

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。     

基于裂纹尖端张开角的管道止裂控制研究进展

传统基于夏比冲击韧性的双曲线止裂控制模型对于高钢级管道已不再适用,对能源安全输送造成巨大威胁。裂纹尖端张开角(Crack Tip Opening Angle,CTOA)作为具有前景的止裂韧性参数,有望取代夏比冲击韧性形成新的止裂控制方法,但目前相关研究缺乏足够的进展与验证。为此,围绕基于实验室试样的CTOA标准化测试、CTOA测试结果的可转移性、基于CTOA的止裂控制方法 3个方面对国内外研究进展进行了综述与剖析,指出当前各项研究存在的争议与不足,分析了后续研究的重点方向,以期推动中国管道止裂控制领域的研究进程及管道建设事业的发展。(图2,表1,参45)     

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。     

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     

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)     

高钢级管道环焊接头力学性能与适用性评价研究进展

环焊接头结构完整性在很大程度上决定了高钢级管道能否安全运行。从焊缝金属强韧性指标设计方法、国内外管道工程设计标准中的强韧性验收指标、焊缝金属强韧性测试方法 3个方面总结了目前国内外关于焊缝金属强韧性指标的研究及工程应用现状。从断裂韧性的裂尖拘束效应、管道环焊接头断裂行为的数值模拟方法、裂纹驱动力评价技术、失效评估图评价技术、管道环焊接头应变承载能力预测方法、全尺寸管道环焊接头断裂试验等方面探讨了适用性评价技术涉及的关键问题及其研究进展。提出了当前高钢级管道环焊接头力学性能与适用性评价研究中存在的问题及尚待深入研究的方向，以期为提高高钢级管道环焊接头的本质安全水平提供理论支撑与技术支持。（图9，表5，参117）     

轮库输油管道的断裂失稳分析

以弹塑性断裂力学的J积分理论为基础,综合考虑裂纹的J积分弹性解和全塑性解,分析了含裂纹延性管道的弹塑性断裂问题,通过对含内表面半椭圆轴向裂纹管道的J积分弹性解和全塑性解的分析并进行迭加,得出在载荷作用下反映管道内表面半椭圆裂纹扩展能力的J积分表达式,现场断裂管道的验证分析表明,计算结果与现场事故数据基本吻合,根据相关文献,计算出轮库输油管道母材和焊缝材料的管材系数,并以试验得出的轮库输油管道的断裂韧性JIC值为依据,在上述J积分表达式的基础上,计算了含有内表面半椭圆轴向3裂纹的轮库输油管道母材和焊缝材料的临界失稳压力,为该管道在设计工况下安全运行提供了理论依据。     

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.     

用压力容积图进行管道试压方式研究

目前国内外采用的管道试压方式大致有两种，一种是在试压时控制管道环向应力水平；另一种是以管道中试压介质的压力容积图控制试压，以前者作为试压方式虽然简便，但因其将每根管子管材的屈服极限作为非变量，因而用同一应力水平试压极有可能造成管材过分屈服或试压不足，试压应力难以确定。而后者只控制试压过程中压力容积图的线性关系，即在图形出现非线性时停止加压，避免了试压应力骓以确定的问题，多项研究和统计表明，试压应力     

海底管跨涡激振动疲劳可靠性研究

管跨的涡激振动是引发管跨发生疲劳失效的主要因素之一,也是管跨可靠性设计、可靠性评估工作所要解决的主要问题.针对由涡激振动引发的海底管跨的疲劳失效,利于随机过程理论和可靠性分析理论,建立了更为符合海底管道实际工况的可靠性分析方法.     

二氧化碳输送管道关键技术研究现状

碳捕集与封存作为减少温室气体排放的重要手段成为全球研究热点，管道运输是该技术得以实施的关键环节。当CO2处于超临界或密相状态时，其具有液体的密度、气体的粘性和压缩性，对于管道运输是最有效率的。由于管输CO2的特殊性质，CO2输送管道与碳氢化合物输送管道存在不同；由于海洋环境的复杂性，CO2海上输送管道与陆地输送管道存在不同。系统总结了实现CO2管道输送需要解决的关键技术问题，着重介绍了CO2输送管道流动保障和延性断裂扩展领域的研究进展，指出CCS作为大规模减少温室气体排放的重要选项，开展与之相关的基础研究十分迫切。（图3，参44）     

Deep-Focus Earthquakes and Recycling of Water into the Earth's Mantle

For more than 50 years, observations of earthquakes to depths of 100 to 650 kilometers inside Earth have been enigmatic: at these depths, rocks are expected to deform by ductile flow rather than brittle fracturing or frictional sliding on fault surfaces. Laboratory experiments and detailed calculations of the pressures and temperatures in seismically active subduction zones indicate that this deep-focus seismicity could originate from dehydration and high-pressure structural instabilities occurring in the hydrated part of the lithosphere that sinks into the upper mantle. Thus, seismologists may be mapping the recirculation of water from the oceans back into the deep interior of our planet.     

输气管道投产初期的运行安全管理

在天然长输管道道投产初期，因各种原因产生一些威胁管道安全运行的问题，如管内存在泥土，水，轻质油等有害物质，若不及时清除，将会堵塞管道及相关设备，解决这些问题，就要在设计，施工和运行期以及运行工艺等方面取有效措施，强化运行管理，杜绝事故隐患，介绍了长输天然气管道中杂质的来源，危害及处理方法，提出了改进阀室设计，越站设计，排污系统和排污池设计以及管理的工艺方案。     

天然气长输管道冬季液态排污物的成因

为了解决天然气长输管道冬季运行因管内产生液态污物而影响管道安全运行的问题,采用了蒸馏切割、模拟蒸馏、金属元素测定、色谱分析以及烃露点分析等技术手段,针对现场的实际情况,对调研、取样、试验验证及数据进行了分析研究,最终给出液态污物的来源及解决方案,对天然气长输管道的安全运行具有重要的现实意义和参考价值.