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1、天然气长输管道止裂技术ok3≥Vd,裂纹扩展;Vm<Vd,止裂。其中Vd为气体减压波速;Vm为裂纹扩展速度。能量判据:G≥ 天然气长输管道止裂技术ok3≥Vd,裂纹扩展;Vm<Vd,止裂。其中Vd为气体减压波速;Vm为裂纹扩展速度。能量判据:G≥ 天然气长输管道止裂技术ok3≥Vd,裂纹扩展;Vm<Vd,止裂。其中Vd为气体减压波速;Vm为裂纹扩展速度。能量判据:G≥ 天然气长输管道止裂技术ok3≥Vd,裂纹扩展;Vm<Vd,止裂。其中Vd为气体减压波速;Vm为裂纹扩展
2、速度。能量判据:G≥Gd,裂纹扩展;G<Gd,止裂。其中Gd为材料的断裂阻力;G为裂纹扩展驱动力。美国BMI(BattelleMemorialInstitute)是世界上最早进行天然气管道止裂问题研究的机构。开展相关研究的其他机构还有EPRG(EuropeanPipelineResearchGroup)、JISI(JapaneseIronSteelInstitute)、AISI(AmericanIronSteelInstitute)、TGRC(PCTubularGoodsResearchIns
3、titute)等。这些机构在研究天然气管道止裂问题的过程中,提出了诸多公式[2](表1,其中CVN为全尺寸夏比试样冲击韧性,J;H为环向应力,MPa;R为钢管半径,mm;t为钢管壁厚,mm;D为钢管外径,mm;d为埋深,mm;E为弹性模量,MPa;A为断口面积,mm2;EPN-D为M参数法预测的止裂韧性,J;Sy为屈服强度,MPa;CVNArrest为94J以上管材止裂所需夏比冲击韧性值,J;CVNBMI为用Battelle双曲线分析法得到的止裂所需夏比冲击韧性值,J;CTOAmax为临界裂纹尖端张
4、开角;C为回填常数;f为材料的流变应力,其值为Sy+68.95,MPa;m、n、q由输送介质决定;Vf为裂纹扩展速度,m/s;V为减压波速度,m/s;V0为起始状态下介质中的声速,m/s;pH为管内压力,MPa;pa为止裂压力,MPa;pd为减压后的压力水平,MPa;pi为开裂前管内压力,MPa;为起始状态下气体的比热容,J/(kg·K)。综上可见,止裂CVN可以统一写成CVNbcdaRt的形式,其中a、b、c、d为参数,在不同公式中差别较大。出现这种现象的根本原因在于:尚未找到反映高钢级材料中裂纹
5、扩展和气体减压波速度关系的真正表达式。而且当CVN>100J时,在试验中出现了模型预测的止裂韧性值小于实测值的不安全现象[7]。防止管道大范围断裂现象的发生,一方面可以采用具有相应抵抗裂纹扩展驱动力的材料,另一方面可以采用结构性止裂措施,以达到尽可能使裂纹快速停止、扩展距离最小的目的。结构性止裂措施可以在高风险段安装止裂器(CrackArrestor,简称CA),以增大管道的断裂抗力和裂纹扩展阻力。而研究表明,对于超高强度大直径管线钢管(钢级超过X100),实际工作条件处于延性裂纹止裂的上限,
6、在严酷条件下,难以依靠自身条件实现止裂,因此,对于推动超高强度大直径管线钢管的工程应用,采用止裂器实现强制止裂是必要的[8]。2止裂器2.1主要类型国内外对于止裂器的研究已有30多年的历史,设计了种类众多的止裂器,设计目的大都是降低裂纹驱动力。当前采用的不同形态的止裂器,根据在输气管道上的安装方法不同可以分为两类:整体止裂器和非整体止裂器。整体止裂器嵌入管道成为管道的一部分,而非整体止裂器是分为几部分装配在管道外部[9]。2.2.1整体止裂器整体止裂器通常由不同于主管道力学性能和几何尺寸的管段或管环
7、组成。在主体管道中插入壁厚相同的高韧性钢管是最简单直接形式的整体止裂器(图1)。这种止裂形式要求插入的钢管具有足够的韧性,当裂纹尖端进入高韧性管段时,可以止裂,将最大断裂长度限制为两高韧性管段的间距,从而确保裂纹扩展不发生在主管道。这种中间插入高韧性管段的形式与全部使用高韧性管道相比,要经济很多。另外一种整体止裂器是沿管道轴向间隔地插入韧性相同但局部管壁加厚的管段,裂纹进入这一管段后,使稳定扩展的裂纹遇到突然抵抗,部分吸收驱动裂纹扩展的能量,从而得以止裂。但是,这种管道考虑到内部壁厚余量,对于外径公
8、差有要求(图2)。对于金属结构材料,无论锻件、板材、管材或棒材,都具有不同程度的宏观各向异性。钢板顺轧制方向和垂直轧制方向冲击韧性值大不相同,顺轧制方向冲击值要高很多。因此,每隔一段插入一个轧制方向不同的管段,通过改变裂纹扩展路径,消耗裂纹扩展能量,达到止裂的目的。这种方法可以达到与插入高韧性管段同样的效果。2.2.2非整体止裂器非整体止裂器的优势是可以在现有在役管道外部进行组装,无需使用大型装备。非整体止裂构件的作用,或者是降低裂纹驱动力的值,或者是提高局部截面的材
