X80钢级1422mm大口径管道断裂控制技术

霍春勇　李　鹤　张伟卫　杨　坤　池　强　马秋荣

1.中国石油集团石油管工程技术研究院 2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室



X80钢级1422mm大口径管道断裂控制技术

霍春勇1,2李鹤1,2张伟卫1,2杨坤1,2池强1,2马秋荣1,2

1.中国石油集团石油管工程技术研究院 2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室

霍春勇等.X80钢级1 422mm大口径管道断裂控制技术.天然气工业，2016,36(6):78-83.

摘 要在中俄东线天然气管道工程中采用高钢级（X80钢级）、大口径（外径为1 422mm）的管道进行高压输送（压力为12MPa）可以有效增加天然气输送量，满足我国能源战略的需要。然而随着钢级、输送压力、管径及设计系数的不断提高，管道的延性断裂成为断裂的主要方式，止裂控制便成为研究的重点。为此，对止裂韧性计算的主要方法Battelle双曲线（BTC）方法以及断裂阻力曲线和减压波曲线进行了深入研究，明确了BTC方法的原理及其适用范围，同时分析了BTC方法应用于高强度、高韧性管线钢时所存在的问题，给出了目前国际上针对BTC计算结果常用的修正方法。回顾了俄罗斯Bovanenkovo-Ukhta外径为1 422mm X80管道断裂的控制方案，针对中俄东线管道的设计参数，对BTC计算结果进行了修正，进而制订出符合中俄东线天然气管道安全要求的止裂韧性值（245 J）。

关键词中俄东线天然气管道工程1 422mm外径X80钢级断裂控制止裂韧性BTC方法减压波

随着天然气需求量的与日俱增和管线钢技术的不断进步，采用X80及以上级别高强度钢管进行高压、大输量、长距离输送天然气已经成为世界天然气管道输送技术发展的主流趋势。然而随着钢级、输送压力、管径及设计系数的不断提高，管道的延性断裂成为了断裂的主要方式，已经严重威胁管道安全并成为制约高钢级焊管广泛应用的瓶颈问题[1]，止裂控制便成为了研究的重点。

通常采用Battelle双曲线方法（BTC）对输气管道的止裂韧性进行预测。然而当管道钢级达到X80以上，止裂韧性达到100 J以上时，BTC方法预测的准确性便会急剧下降。因此，对于高压（10MPa及以上）、大口径（外径为1 219mm及以上）、富气X80钢管道，就需要对BTC结果进行修正来确定止裂韧性。为此笔者就BTC的方法原理、存在的问题及中俄东线外径为1 422mm的X80钢管道止裂韧性确定方法进行深入的分析和阐述。

1　止裂韧性预测技术

1.1BTC方法

API 5L和ISO 3183规定了计算钢管延性断裂止裂韧性的4种方法，如表1所示。可见当压力达到12MPa，钢级达到X80时只有BTC方法适用，但是当BTC的计算值超过100 J时，则需要对止裂韧性计算结果进行修正。

BTC方法的原理是通过比较材料阻力曲线（J曲线）和气体减压波曲线来确定止裂韧性。当这两条曲线相切，代表在某一压力下裂纹扩展速率与气体减压波速率相同，达到止裂的临界条件，与此条件相对应的韧性（Cv，夏比冲击功）即为BTC方法确定的止裂韧性。

1.1.1材料阻力曲线

洞庭湖湿地旅游开发起步晚，已有产品单一，以传统的湖区风光参观为主，针对特色湖湘文化产品开发稀少，游客体验感欠佳。其湖区中部旅游景观产品十分单调，无层次立体感，连唯一有特色的旅游项目——观鸟，时空制约明显。

BTC方法中用来计算材料阻力曲线的基本模型如下所示。

表2　BTC方法中对于不同参数的定义表

式中Vc表示裂纹扩展速度，m/s；R表示断裂阻力，J/mm2；σflow表示流变应力，MPa；pd表示裂纹尖端动态压力，MPa；pa表示止裂压力，MPa；c、m表示回填常数；t表示钢管壁厚，mm；r表示钢管半径，mm；σarrest表示止裂应力，MPa；MT表示膨胀因子；E表示钢管弹性模量，MPa；Ceff表示有效裂纹长度，mm。其中R、σflow、c、m按表2进行计算和取值。

BTC方法在20世纪70年代由美国著名的研究机构巴特尔纪念研究所（Battelle Memorial Institute，以下简称为Battelle）建立，成功地预测了在不同工况条件下X70及以下级别管线钢延性断裂止裂所需Cv。然而对于现代高强度（X80及以上）、高韧性（100 J以上）的管线钢，BTC方法预测的准确性则随着钢级和止裂韧性的升高而下降，对此国内外学者进行了大量的研究，主要观点如下：

1）BTC方法发展之初，主要用于X70及以下级别管线钢的止裂韧性预测，其流变应力定义为屈服强度加上68.95MPa。随着管道钢级的提高，材料的屈强比也随之上升，采用传统方法计算的流变应力将接近或者超过材料的抗拉强度。因此对于X80及以上级别管线钢，采用屈服强度和抗拉强度的平均值或引入加工硬化指数来重新定义流变应力将更为合理。同时，大量的研究成果也表明不同的流变应力定义会优化计算结果，但这不是BTC方法不准确的根本原因。

2）BTC方法中的土壤回填常数m和c是Battelle根据早期全尺寸气爆试验结果回归计算得到，如图1所示。

图1　BTC方法回填参数回归计算图

回归计算结果如表2所示，在任何情况下m都为1/6，而当回填时c为0.275 0，无回填时c为0.379 5。早期的气爆实验主要采用X52和X65管线钢管，其韧性都低于100 J，回填时采用黏土和沙土，回填高度为0.762m。而高钢级（X70、X80、X100及X120）、高韧性（大于100 J）管线钢问世之后进行的全尺寸爆破试验中，一方面钢级和韧性不同于BTC方法建立时的研究对象（低强度、低韧性管线钢管）；另一方面回填深度和回填土类型也有所不同，例如回填深度增加到1.2m。试验钢级和回填参数的不同会导致不同的回填常数，例如日本高强度管线钢管委员会通过进行7次直径为1 219mm，壁厚为18.3mm的X70管线钢管全尺寸气爆试验而确定的m和c分别为0.67和0.393 0（回填情况）[2]。回填常数既反映了回填土对于裂纹扩展的约束作用，也反映了不同性能钢管对于约束的不同响应。在无约束（例如不回填）和低约束（例如低的回填深度）的情况下，裂纹将扩展得更快。因此Battelle早期计算得到的m和c已不再适用于高钢级管线钢管以及新的回填工艺。

3）BTC方法中材料断裂阻力（R）是一个非常重要的参数，它反映了材料对于裂纹扩展的阻力。Cv本来不是断裂力学中的断裂韧性参数，但是Battelle在早期的研究中，发现低钢级、低韧性管线钢（100 J以下）单位面积Cv与平面应力下的应变能释放率Gc呈1∶1的线性关系[3]。因此，用Cv替代Gc将R表征为Cv/Ac。然而众多的研究结果表明，随着现代管线钢韧性的增加，当超过100 J后单位面积Cv与平面应力下的应变能释放率Gc不再表现为1∶1的线性关系[3-4]，如图2所示。因此如何正确地表征BTC公式中的R成为了当前研究的热点和难点问题。

图2　Gc与Cv/Ac关系图[3]

1.1.2减压波曲线

减压波的预测模型基于一维等熵流动，因此与管径无关，只与气质组分、温度和压力有关。减压波速度定义为：

式中ΔU表示介质的速度差，m/s；ρ表示介质密度，kg/m3；Δρ表示密度差，kg/m3。

密度和声速都需要由状态方程来确定，目前已发表的状态方程包括AGA-8、BWRS、SRK、PR和GERG等[5-10]，其中BWRS和GERG状态方程计算精度最高，常用于天然气减压波计算。在计算减压波时，主要有两点需要注意：①对于大口径钢管（如外径为1 422mm的钢管），外流气体与管壁摩擦的影响可以忽略不计，因此对于大口径钢管无需考虑钢管内表面的粗糙度；②含有重烷烃的富气在减压过程中会出现由气相到液相的相变，造成气液两相共存的现象，从而产生减压波平台。减压波平台的出现使裂纹尖端的压力长时间保持在高位而无法降低，增加了止裂的难度。

1.2基于BTC模型的主要修正方法

当钢管止裂韧性超过100 J时，需要对BTC方法进行修正，主要的修正方法如下。

1）Leis修正，如式（5）和式（6）所示，其中式（5）适用于X70管线钢，式（6）适用于X80管线钢。

式中CVNBTCM为BTC方法计算的CVN能量，J；CVNarrest为经修正后的止裂韧性值，J。

2）Eiber修正，如式（7）所示，适用于X80管线钢。

3）Wilkowski修正，如式（8）所示，适用于X80管线钢。

CVNarrest=0.056×(0.1018 ×CVNBTCM+ 10.29)2.597- 16.8 (8)

4）线性修正，如式（9）所示，K为常数：

2　外径为1422mm的X80钢管道断裂控制方案

2.1俄罗斯外径为1 422mm的X80钢管道断裂控制方案

为了建设总长度达1 106km的Bovanenkovo-Ukhta长输管线，从2008年3月至2009年1月，俄罗斯共进行了10次X80钢管道全尺寸气爆实验[11-12]。实验钢管包括壁厚为23.0mm、27.7mm和33.4mm的 外径为1 420mm 的X80钢直缝埋弧焊管，实验中在起裂管两侧各排列3根等CVN能量测试钢管，根据EPRG标准要求在3根钢管内止裂。在第4次实验中，裂纹穿过所有3根测试钢管而无法止裂。这些钢管的断口特征如图3所示，表现为韧脆混合断口而不具备典型的45°剪切断裂特征。这些钢管的DWTT形貌如图4所示，可见具有明显的断口分离特征。

图3　俄罗斯扩展管的爆破试验断口特征图

图4　俄罗斯扩展管的DWTT断口形貌图

Bovanenkovo-Ukhta管道的设计温度为-20 ℃，BTC修正计算后的止裂韧性为200 J，在此温度下进行的CVN试验表明裂纹扩展管和止裂管的CVN能量区别不大，而在-40 ℃进行试验则会使裂纹扩展管CVN试样的断口分离现象明显增强，并表现为CVN能量的急剧下降。而止裂管即便在-40 ℃进行试验，其CVN能量下降也很小。因此，为了能有效鉴别具有断口分离特征的扩展管，在Bovanenkovo-Ukhta管道的技术指标中，将CVN试验温度规定为-40 ℃。

2.2中俄东线外径为1 422mm的X80钢管道断裂控制方案

中俄东线天然气管道输送的天然气组成为：C1的摩尔分数为91.41%，C2的摩尔分数为4.93%，C3的摩尔分数为0.96%，C4的摩尔分数为0.41%，C5的摩尔分数为0.24%，N2的摩尔分数为1.63%，CO2的摩尔分数为0.06%，He的摩尔分数为0.29%，H2的摩尔分数为0.07%。一类地区设计参数为：管道钢级为X80，管径为1 422mm，压力为12MPa，管道壁厚为21.4mm，设计系数为0.72。

中俄东线的设计压力为12MPa，但是只有在压气站的出气口处压力才会达到12MPa，而在下一个压气站的进气口处压力会显著降低。中俄东线最低冻土层温度为-1.5 ℃，在正常输送的情况下，压气站出气口的温度会显著高于-1.5 ℃，而下一个压气站进气口处的温度也会在-1.5 ℃以上。只有在最恶劣的情况下（管道埋于冻土层内及长时间停输），管道内的气体温度才会降至地温，但此时管道内压力也会下降（约1MPa）。综合考虑，在进行止裂韧性计算时选取12MPa和0 ℃作为计算参数。

图5为中俄东线BTC计算结果，计算中采用BWRS状态方程进行减压波计算。可见中俄东线气质组分存在明显的减压波平台，止裂韧性CVN能量计算值为167.97 J，由于BTC计算值超过100 J。因此必须进行修正。

图5　中俄东线BTC计算结果图

经不同方法修正后得到的止裂韧性结果为：BTC预测值为167.97 J；1.46倍修正值为245 J；Leis-2修正值为250 J；Eiber修正值为251 J；Wilkowski修正值为286 J。其中Leis-2、Eiber和1.46倍修正的结果基本一致。考虑到1.46倍修正可以较好地将全尺寸爆破试验数据库中的裂纹扩展点和止裂点分开，如图6所示[13]。进而最终将止裂韧性指标确定为245 J，此指标为单根止裂韧性指标。

图6　X80钢管道全尺寸气体爆破试验数据库图

图7为单炉试制钢管的断口形貌，可见试样不存在严重的断口分离。最近在国内全尺寸爆破试验场开展的外径为1 422mm的X80钢管道全尺寸爆破试验同样表明，国内生产的外径为1 422mm的X80钢管爆破断口形貌为45°剪切断口，可以依靠自身韧性进行止裂。

图7　中俄东线单炉试制钢管DWTT断口形貌图

3　结论及建议

1）Battelle 建立的BTC方法不能直接应用于现代高强度高韧性管线钢的止裂韧性计算，其模型的改进有待进一步深入研究解决。

2）采用BTC结合1.46倍修正的方法确定中俄东线外径为1 422mm、X80钢管道的止裂韧性指标为245 J。

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（修改回稿日期2016-04-13编辑何明）

Fracture control technology for the X80 large OD 1 422mm line pipes

Huo Chunyong1,2,Li He1,2,Zhang Weiwei1,2,Yang Kun1,2,Chi Qiang1,2,Ma Qiurong1,2
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute， Xi’an,Shaanxi 710077,China; 2.State Key Laboratory for Performance and structure Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials， Xi’an,Shaanxi 710077,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.78-83,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:High-grade (API 5L X80) and large-diameter (OD 1 422mm) line pipes are used in the Sino–Russian eastern route gas pipeline project for high pressure (12MPa) transmission,and this can significantly increase the transmission capacity and meet China’s energy strategic demand.With the increase of steel grade,transmission pressure,pipe diameter and design coefficient,however,ductile fracture of line pipes becomes the dominant fracture mode,so it is necessary to focus on fracture arrest and control study.In this paper,therefore,an intensive study was performed on the Battelle Two-Curve (BTC) method which is the major solution to the calculation of arrest toughness,as well as the fracture resistance curve and decompression curve.Based on the study,the principle and application range of the BTC method were confirmed.In addition,a series of analysis were conducted on the issues which occurred when the BTC method was applied to high-strength,high-toughness line pipe steel,and the commonly used modified approaches to BTC calculation results were also provided.After the fracture control scheme of the X80 large OD 1 422mm line pipes for the Russian Bovanenkovo–Ukhta was reviewed,the BTC calculation results were corrected on the basis of the design parameters of the Sino–Russian eastern route gas pipeline project,the Charpy vee-notched (CVN) impact energy which meets the project requirement was finally worked out to be 245 J.

Keywords:Sino–Russian eastern route gas pipeline project; OD 1 422mm; API 5L X80 line pipes; Fracture control; Crack-arrest-toughness value; BTC method; Charpy vee-notched (CVN) impact energy; Decompression

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.012

作者简介：霍春勇，1966年生，教授级高级工程师，博士；主要从事长输管道断裂控制方面的研究工作。地址:(710077)陕西省西安市锦业二路89号。电话:(029)81887999。ORCID:0000-0002-0028-3958。E-mail:huochunyong@cnpc.com.cn