0.8设计系数用X80管线钢失效评估曲线研究

王 珂，罗金恒，杨锋平

(中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管力学和环境行为重点实验室，西安710077)

0.8设计系数用X80管线钢失效评估曲线研究

王 珂，罗金恒，杨锋平

(中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管力学和环境行为重点实验室，西安710077)

为了研究西气东输三线用0.8设计系数X80管线钢断裂性能，通过单轴拉伸和断裂韧性试验建立失效评估曲线和拟合方程，对3种不同屈强比的0.8设计系数X80管线钢管进行了失效评估。结果表明：与常用X80管材的失效评估曲线不同，选择3曲线并不是最保守曲线；高、低屈强比钢管的评估曲线在载荷比大于某一临界值时发生分离，高屈强比钢管的评估曲线在低屈强比钢管的评估曲线之下；屈强比大于0.9时，安全应用范围迅速减小。

钢管；X80管线钢；0.8设计系数； 失效评估曲线； 屈强比

0 前 言

加快天然气产业发展是我国当前能源结构优化调整和加强节能减排的重要举措[1]。如何实现天然气高效、经济、安全的输送，成为天然气行业建设投资者和运营企业的关注热点。在保证输量和安全可靠性的前提下，提高输气管道强度设计系数成为解决该问题的重要途径之一[2-5]。

欧美国家20世纪70年代就开始了提高输气管道强度设计系数的研究，把一级地区设计系数提高至0.8，并建成上万千米管线。我国一级地区管道的设计系数一直为0.72[6]，近年来在0.8设计系数可行性研究基础上[7-8]，依托西气东输三线，在荒漠无人区开展0.8设计系数试验段建设，并为此专门开发了0.8设计系数用X80级φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管。从《西气东输三线0.8设计系数管道用X80螺旋缝埋弧焊管技术条件》[9]可以看出，与西气东输二线用X80级φ1 219mm×8.4mm钢管相比[10]，0.8设计系数管道用X80螺旋缝埋弧焊管冲击韧性、板头与板尾性能、静水压试验、几何尺寸和无损检测等要求均进一步提高，特别是冲击韧性试样平均值从220J提高到了260J。

为了进一步研究西气东输三线0.8设计系数用X80管线钢断裂性能，完善其含缺陷管道结构完整性评价及安全管理做法，本研究利用CEGB R6-Rev.4标准建立了其失效评估曲线，并分析了屈强比对失效评估曲线的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用材料为3家不同钢厂板卷生产的西气东输三线用0.8设计系数X80级φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管。沿管体横向加工圆棒拉伸试样，试样标距内直径为10mm，标距长为50mm，单轴拉伸试验在UTM5305材料试验机上进行，试验标准为ASTM A370。0.8设计系数X80级螺旋焊管力学性能见表1。

表1 0.8设计系数X80螺旋焊管力学性能

表1中3种材料的钢管均满足Q/SY GJX 117标准要求，但材料C屈服强度已达到了上限值。同时，3种材料钢管对应的屈强比呈现由低到高的顺序，有利于分析屈强比对试验结果的影响。

1.2 试验方法

制备带预制疲劳裂纹的三点弯曲标准试样。试样尺寸为12mm×24mm×96mm。由于管道材料的各向异性，管道上不同截取方向所得到试样的CTOD值是不同的，如图1所示，其中T-L方向试样的CTOD值最小，所以本试验只截取T-L方向的试样。在线切割机上用0.12mm的钼丝沿宽度方向加工长12mm、宽0.12mm的机械缺口，并保证切割线所在平面与试样切割面的垂直角度为90°±5°，试样尺寸形式如图2所示。利用高频疲劳试验机预制长度2.5mm的疲劳裂纹，用以模拟实际管线结构中的初始尖锐裂纹。CTOD试验在MTS810试验机上进行，依据GB/T 21143—2007《金属材料 准静态断裂韧性的统一试验方法》[11]，采用单试样法。

图1 弯曲试样取样方向

图2 弯曲试样尺寸

2 试验原理及结果

2.1 试验原理

CEGB-R6-Rev.4有3种选择曲线表达式。

2.1.1 选择曲线1

无屈服平台材料的有屈服平台材料的Lrmax=1。

式中： Kr—应力强度因子；

Lr—载荷比；

σy—屈服强度，MPa；

σu—抗拉强度，MPa。

2.1.2 选择曲线2

选择曲线2被称为材料特征选择曲线，建立在已知材料真实应力-应变曲线数据基础上，其方程为

式中：εref—参考应变，是在单轴拉伸真应力-真应变曲线上真实应力等于时的真实应变；

E—弹性模量，取2.1×105MPa。

首先通过单轴拉伸试验得到管线钢的工程应力-应变曲线，然后根据(3)式和(4)式计算分别获得其真应力-真应变曲线。

式中：σ0—工程应力应变曲线中应力值，MPa；

ε—工程应力应变曲线中σ0对应的应变。

2.1.3 选择曲线3

选择曲线3是特定材料和构件形状的失效评定曲线，要根据材料特性和裂纹体几何形状计算弹塑性J积分值及其弹性分量Je值，来确定曲线的纵坐标，以得到精确的失效评定曲线，J积分值计算可以采用有限元方法或者EPRI规程中利用图表手册的工程方法。其曲线定义式为

式中：P—施加载荷，MPa；

P0—塑性失稳极限载荷，MPa。

2.2 试验结果

按照标准CEGB R6-Rev.4中提供的3种选择建立3种材料钢管的失效评估图，如图3所示，分别对选择2和选择3试验数据进行Boltzmann曲线拟合，结果见式(7)～式(12)。

图3 3种不同材料钢管的3级失效评估曲线对比

2.2.1 A材料

选择2曲线

选择3曲线

式中，Lrmax=1.10。

2.2.2 B材料

选择2曲线

选择3曲线

式中，Lrmax=1.05。

2.2.3 C材料

选择2曲线

选择3曲线

式中，Lrmax=1.04。

3 试验结果分析

从图3可以发现，3种西气东输三线用0.8设计系数的X80级φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管母材失效评估基本具有相同的趋势，选择3曲线在选择1和选择2曲线之上(对于C材料Lr＜0.95载荷状态下)，这与常规材料的选择3曲线规律相同，但与文献[12-13]所给出我国常用的X80管材的选择3曲线较为保守的结果是有所差异的。

图3中，A材料和B材料3种选择曲线趋势一致(见图3(a)和图3(b))，Lr＜0.75时选择3曲线最高，选择1曲线和选择2曲线依次降低；而0.75＜Lr＜Lrmax(即截止线)时选择3曲线最高，选择2曲线和选择1曲线依次降低。对于C材料，在Lr＜0.6时与A材料、B材料在Lr＜0.75时趋势一致；0.75＜Lr＜0.95时与A材料、B材料在0.75＜Lr＜Lrmax时趋势一致；在0.95＜Lr＜1.04时，选择1曲线最高，选择2曲线和选择3曲线趋于重合。

由表1可知，3种材料钢管的屈强比分别为0.83，0.90和0.92，由上述3种钢管失效评估曲线的差异表明，屈强比的大小会对0.8设计用X80螺旋钢管的失效安全范围造成影响。将3种材料钢管选择2曲线和选择3曲线绘制在同一坐标系下进行对比分析，如图4所示。

图4 3种试验材料的失效评估曲线

由图4(a)可知，屈强比在0.83和0.90时钢管的选择3曲线基本重合；在低载荷状态下(Lr较小)，3种屈强比钢管评估曲线的安全区域基本相同，但当Lr＞0.6时，屈强比为0.92的钢管(C材料)的选择3曲线迅速降低，当Lr=0.95时低于选择1通用失效评估曲线。

由图4(b)可知，随着屈强比升高，选择2曲线逐渐降低，当屈强比超过0.90时，钢管的选择2曲线下降幅度较大。

由图4可知，随着屈强比的升高，0.8设计用X80螺旋埋弧钢管失效评估曲线逐渐降低，安全区域减小，这和文献[13]给出的规律相同；当屈强比不高于0.9时，选择2曲线和选择3曲线下降幅度较小，安全区域变化不大，此时选择1曲线最为保守，但屈强比超过0.9之后，选择2曲线和选择3曲线降幅迅速增大，Lr＞0.95载荷比时选择1曲线也将不再保守。

5 结 语

本研究建立了3种不同屈强比的西气东输三线用0.8设计系数X80钢φ1 219mm×16.5mm螺旋埋弧焊管的失效评估选择2曲线和选择3曲线，并与选择1曲线和常用X80管材对比，结果表明：

(1)选择3曲线并不是最保守曲线，这与常用X80管材的失效评估曲线不同；在低载荷状态下(载荷比Lr较小)，选择2曲线最保守，在高载荷状态下，选择1曲线趋于保守(屈强比不高于0.9)，但同时受到屈强比的影响。

(2)在低载荷状态下，屈强比对试验用0.8设计系数钢管的失效评估曲线基本无影响，当载荷比较大时，高屈强比钢管的评估曲线在低屈强比钢管的评估曲线之下，其在高载荷状态下的安全应用范围减小，特别是屈强比＞0.9时，安全应用范围迅速减小。

[1]陆家亮，赵素平.中国能源消费结构调整与天然气产业发展前景[J].天然气工业，2013，33(11)：9-15.

[2] PHIL HOPKINS.High design coefficient pipelines:inte-grity issues[J].The Journal of Pipeline Integrity,2005(02)：69-97.

[3] ROBERT J，EIBER AND P HOPKINS.Impact on operational integrity and safety of high design coefficients for new and upgraded pipelines[C]//International Seminarlaunch of the Public Comment Draft of the Revision of AS 2885.1.Wollongong,Australia:[s.n.],2004.

[4] GARY SENIOR，PHILL JONES.Justifying the updating of a transmission pipeline to a stress level of over 72％SMYS—an operator’s experience.Proceedings of OMAE 99[C]//18th International Conference On Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Newfoundland,Canada:[s.n.],1999.

[5] MARTIN MCLAMB,PHIL HOPKINS.A justification for designing and operating pipelines up to stresses of 80％SMYS[C]//Proceedings of IPC 2002,4th International Pipeline Conference.Calgary,Canada:[s.n.],2002.

[6] GB 50251—2003，输气管道工程设计规范[S].

[7] ZHAO XINWEI，ZHANG GUANGLI，LUO JINHENG，et al.Impact of improving design coefficient over 0.72 on the safety and reliability of gas pipelines and feasibility justification[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering(English Edition)，2012，25(01)：166-172.

[8]吴宏，张对红，罗金恒，等.输气管道一级地区采用0.8设计系数的可行性[J].油气储运，2013，33(08)：799-804.

[9] Q/SY GJX—117，西气东输三线0.8设计系数管道用X80螺旋缝埋弧焊管技术条件[S].

[10]Q/SY GJX—0102，西气东输二线工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件[S].

[11]GB/T 21143—2007，金属材料准静态断裂韧性的统一试验方法[S].

[12]张华，赵新伟，罗金恒，等.X80管线钢断裂韧性及失效评估图研究[J].压力容器，2009，26(12)：1-4.

[13]王海涛，李鹤，李洋，等.X80管线钢管的屈强比对其失效评估曲线的影响[J].管道技术与设备，2012(05)：7-9.

Study on Failure Assessment Curves(FAC)of X80 Pipeline Steel with 0.8 Design Coefficient

WANG Ke,LUO Jinheng,YANG Fengping
(Key Laboratory for Mechanical and Environmental Behaviors of Oil Tubular Goods,CNPC Tubular Goods Research Institue,Xi’an 710077,China)

In order to study the fracture performance of X80 pipeline steel used for the Third West-to-East Gas Pipeline Project with 0.8 design coefficient,it set FAC and fitted equations through uniaxial elongation and fracture toughness test,and conducted FAC for 3 different yield ratio X80 pipeline steel with 0.8 design coefficient.The results indicated that the third curve is different from FAC commonly used for X80 pipeline steel,it is not the most conservative curve.The FAC of high and low yield ratio separate when the load ratio is higher than a critical value,the FAC of high yield ratio steel pipe is below that of low yield ratio steel pipe;when the yield ratio is higher than 0.9,the security application range shorten rapidly.

steel pipe;X80 pipeline steel;0.8 design coefficient;failure assessment curves(FAC);yield ratio

TE973.1

A

1001-3938(2015)03-0020-04

王珂(1985—)，男，硕士，现主要从事油气管道和压力容器安全评价及完整性工作。

2014-10-20

黄蔚莉