凹陷管道水压爆破实验分析

何勇君， 张 平， 熊道英， 王 垚， 马昕昕， 张玉乾

(1.中国石化销售有限公司 华南分公司， 广州 510000； 2.中国特种设备检测研究院， 北京 100029)

凹陷的存在会影响油气管道的运行安全[1]，水压爆破实验是进行管道完整性评价研究[2]的一种重要手段，尤其是针对含缺陷管段的评价。在国内，闫峰等[3]通过对含缺陷管道全尺寸实验，分析了高压对管道塑性变形以及管道承压能力逆转的影响；田晓等[4]拟合得到爆破压力预测公式，随着凹陷深度增加最大应变位置会远离凹陷中心。在国外，Zarea M等学者[5-6]在爆破试验项目发现管道韧性影响着凹陷处裂纹的扩展情况，从而影响着管道失效压力；Blachut等[7]对屈曲失稳的含划伤凹陷管道进行爆破试验，发现管道爆破压力并未明显降低。

国内外大部分研究针对含凹陷管道的承载能力，而对凹陷以及附近区域的应变响应情况研究较少[8-11]。因此，将通过水压爆破实验重点分析凹陷管道的应变规律以及失效机理，为管道完整性管理提供参考与决策。

1 实验试样

实验试样来自某成品油管道现场替换下来的管段，长度为3 mm，材质为X60，规格为406.4×9.53 mm。将管段中间1 m范围的防腐层去除，露出金属光泽。在管段两端采用标准椭圆封头焊接成封闭容器，封头与管道连接的环焊缝按照NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》进行100%射线和超声检测，保证其没有超标缺陷。试样其中一端封头中心焊接打压接头，另一端距离封头环焊缝300 mm处设置排气孔。采用直径100 mm球面压头，在实验试样1.5 m处压制凹陷，绝对深度为24.4 mm，相对深度为6%OD(其中OD为管道外径)。实验验试样具体信息见表1。

表1 实验试样信息

2 爆破实验

2.1 实验步骤

在凹陷附近位置布置应变传感器，监测爆破实验过程中凹陷外壁的应变响应情况，如图1所示。位置1～位置9沿管道轴向分布，相邻两个位置间距为50 mm，其中位置1位于凹陷中心，位置3位于凹陷变形边缘。每个位置的应变传感器均监测环向和轴向两个方向，位置1所布应变传感器有效量程为50 000 με，其余位置所布应变传感器有效量程为20 000 με(后期数据处理，摒弃超过量程应变数据)。

图1 应变传感器布置位置

实验采用250 MPa打压爆破系统进行加压，介质为纯净水，压力采用量程60 MPa、精密0.4级的高精度压力表进行测量，进水量采用精度为0.25%、分辨率为0.1 mL的质量流量计进行采集。

首先，向实验管段内充满纯净水，充满后密封封堵，利用打压爆破系统对试样进行几次打压，充分排出管段内的残余空气，同时查看并校对应变传感器，保证测量数据的准确性和和有效性。然后，开始逐级加压，启动数据采集系统，包括压力采集系统、进水量采集系统、应变采集系统，采样频率为10 Hz，直到实验管段发生破裂为止。

2.2 实验结果

水压爆破实验过程中采集的压力-进水量曲线如图2所示。可以看到，在试样屈服之前，压力随着进水量基本按线性关系增加；当试样开始屈服时，压力增量逐渐减小，压力变化速率也逐渐变缓；此后，试样发生屈服变形，压力在一段时间内基本保持平稳，不再随进水量的增加而发生明显变化，直至管段爆破。由此，得到试样的屈服压力为34.2 MPa，爆破压力为36.8 MPa，绝对进水量为31.39 L，相对进水量为8.38%。

图2 爆破实验压力-进水量曲线

实验管段爆裂位置为直焊缝处，与凹陷轴向距离约280 mm，环向角度为140°，裂口长度为830 mm,破裂方式为沿着焊缝纵向撕裂，如图3所示。而凹陷部位发生明显回弹，回弹后凹绝对陷深度为9.3 mm，相对深度为2.3%OD。由此，可以说明由直径100 mm的球形压头压制的、6%OD深度的凹陷并不影响管道的承载能力。

图3 爆破裂口

2.3 应变响应

在水压爆破实验过程中，所监测位置的环向应变响应情况如图4所示。从图中可以看到位置2和位置3的环向应变在加压过程中迅速增大，这是因为位置2和位置3是加压过程的最快发生形变的位置；凹陷中心的环向应变变化也比较大，但是开始增大的时间晚于受凹陷影响的其他位置，原因是凹陷中心的变形虽大，但在加压反弹过程，该位置却排在最后；距离凹陷中心150 mm的位置4的环向应变仍受凹陷影响，其增加速度仍大于远离凹陷的区域；距离凹陷中心超过200 mm的区域，环向应变变化与凹陷无关。

图4 环向应变响应情况

所监测位置的轴向应变响应情况如图5所示。从图中可以看到，凹陷中心处的轴向应变在加压过程中先为压应变，最后变成拉应变；而处于凹陷边缘与凹陷中心中间的位置2，其轴向应变在加压过程中先为拉应变，后为压应变；位置3处于凹陷边缘，轴向应变始终为压应变，因为变形大和优先反弹，所以变化速率最快；距离凹陷中心150 mm的位置4的轴向应变仍受凹陷影响，始终为压应变，变化速率较慢；距离凹陷中心超过200 mm的区域，轴向应变几乎与凹陷无关。

图5 轴向应变响应情况

3 结论

通过以上全尺寸水压爆破实验以及应变数据分析，得出以下结论：

1)由直径100 mm的球形压头压制的、6%OD深度的凹陷不影响管道的承载能力，试样管道爆破方式为直焊缝撕裂，屈服压力为34.2 MPa，爆破压力为36.8 MPa；

2)凹陷中心的反弹效率明显低于凹陷其他位置，距离凹陷中心轴向超过200 mm区域，环向应变和轴向应变响应与凹陷无关；

3)凹陷加压反弹过程，所监测位置的环向均为拉应变，而凹陷中心的轴向先受压后受拉，凹陷边缘与凹陷中心的中间位置的轴向先受拉后受压，凹陷边缘以及边缘以外受凹陷影响区域的轴向则始终受压。