焊管静水压试验相关问题的探讨

苏 琦，秦小虎，王少华

（宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

焊管静水压试验相关问题的探讨

苏 琦，秦小虎，王少华

（宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

介绍了焊管静水压试验采用的径向密封和端面密封两种密封形式以及压力计算公式。针对焊管不同的使用条件，对标准规定压力与理论压力之间的差异进行对比分析，提出了焊管静水压试验密封系数及通用压力计算公式，并对采用不同压力计算公式计算的钢管水压试验压力值进行了对比。研究结果表明，标准给出的压力计算公式比较保守，计算的试验压力相对较低；无论采用端面密封还是径向密封方式，利用本研究提出的密封系数及通用压力计算公式，可以方便地确定钢管水压试验的压力值。

焊接钢管；静水压试验；环向应力系数；试验压力；密封系数

钢管静水压试验作为焊管生产过程中最重要的检测手段，已成为制造工艺流程中必不可少的检验项目之一，对提高产品出厂质量和使用安全性至关重要。在重要的钢管生产标准和规范中，都对静水压试验做出了明确规定。

钢管静水压试验主要有3个优点：①可以将更多大尺寸缺陷扩展至临界尺寸，从而被暴露而返修或清除，把问题解决在出厂之前；②在残存的小缺陷尖端处造成局部塑性变形引起钝化，降低缺陷的临界扩展率，卸压后在缺陷尖端区域周围引起局部残余压缩应力，对缺陷的扩展起到抑制作用并提高含裂纹体的抗断裂能力；③可以消除更多引起管道断裂的有危害的成型和焊接残余应力[1]。

根据不同的试验压力和钢管尺寸等因素，目前钢管静水压试验的端部密封主要采用径向密封和端面密封两种形式。

1 径向密封条件下的钢管静水压试验

径向密封是将装在试压头上的径向密封圈深入钢管内部，通过内部加压膨胀以实现密封圈与钢管内壁的接触，从而达到管口密封效果的端部密封形式。

1.1 标准规定试验压力计算公式

在API SPEC 5L标准和GB/T 9711中，规定径向密封情况下钢管静水压试验压力公式[2-3]为

式中：D—钢管规定外径，mm；

t—钢管规定壁厚，mm；

S—钢管静水压试验环向应力，S=k1σs，MPa。

因此钢管静水试验压力计算公式就表示为

式中：k1—标准规定试验环向应力系数；

σs—标准规定钢管最小屈服强度，MPa。

1.2 理论试验压力计算公式

在径向密封条件下，根据受力分析，按照最大剪切强度理论，钢管理论静水压试验计算压力应该采用

1.3 两种压力计算公式的差异

对比公式（2）与公式（3）， 两者差值为

也就是说，用公式（2）计算的试验压力比用公式（3）计算的试验压力要低，而且随着厚径比的增加，其计算压力差值按照二次关系增加。压力降低幅度为

如果要保证计算误差在5%以内，钢管厚径比（t/D）就要小于2.5%。随着厚径比的增加，计算误差也随之增加。

1.4 钢管实际环向应力系数

按照上述讨论，采用公式（2）计算的试验压力试压时，钢管环向应力并没有达到预期的应力，所以环向应力系数也就没有达到预期的结果，根据推导，钢管的实际环向应力系数k2与标准给定的环向应力系数k1关系为

从公式（6）可以看出，焊接钢管静水压试验中，钢管实际环向应力系数和标准规定环向应力系数与钢管径厚比相关，在径厚比一定的情况下，实际应力系数和标准规定应力系数呈线性关系。

当按照标准给定的压力计算公式计算压力时，钢管环向应力系数并没有达到要求，如果为了保证钢管实际环向应力系数达到给定的应力系数，就应该调整给定环向应力系数。

2 端面密封条件下钢管静水压试验

端面密封是依靠密封材料在管口端面被压迫产生弹性变形，从而达到管口密封效果的端部密封形式。端面密封以其结构简单、维护方便、工装较少的特点，在大直径钢管水压试验中得到广泛应用。但是,端面密封适应的压力较低，一般不超过30 MPa。同时为了保证密封效果，在钢管两端必须施加端面密封压力，从而使钢管在水压过程中承受轴向应力，使钢管水压过程中的应力状态比较复杂。

2.1 标准规定试验压力计算公式

在端面密封条件下，钢管静水压计算公式分为两种情况。当试验压力较低或试验应力系数较低时，采用公式（2）计算试验压力。当试验压力较高或试验应力系数较高时（k1＞90%），就需要考虑端面密封应力对钢管水压试验造成的影响，避免钢管进入塑性状态。

按照第三强度理论，可以推导出钢管端面密封条件下钢管静水压计算公式[4]为

式中：pR—端面密封液压缸内油压，MPa；

AR—端面密封液压缸横截面积，mm2；

AP—管壁横截面积，mm2；

AL—钢管内径横截面面积，mm2。

公式（7）是API标准给出的考虑轴向应力情况下的试验压力计算公式。这个公式比较麻烦，除了需要钢管相关参数外，还需要知道水压机的相关参数。而且按此式计算时，因为液压缸内油压与水压相关，随着油压的变动，水压也跟着变动，导致同一批钢管水压值不一致。

2.2 静水压试验计算公式的统一表达式

钢管静水压试验是为了检测钢管在一定压力下的承压能力，钢管静水压试验只是与钢管承受的压力有关，在端面密封情况下，除了考虑钢管承受的环向压力外，还需要考虑钢管的轴向压力。

假设钢管承受的压力为p，钢管承受的轴向密封压力与钢管试验的压力相关，假设轴向压力为mp，按照第三强度理论，钢管试验压力计算公式为

式中：m—密封系数。

从公式（8）可以看出，当采用径向密封形式时，m=0，公式（8）变成公式（2）的形式，所以径向密封只是公式（8）的一种特殊形式。

2.3 密封系数m的确定

密封系数m与密封材料的特性、钢管规格、应力系数及管端质量有关，是一个变量。

标准规定，当应力系数超过0.9时，用公式（7）计算试验压力不得低于1.8 tσs/D，按此要求可以得出

则m的取值范围在0～5D(k-0.9)/9t时，均可满足标准要求。但是各厂家可能对m取值不一致，导致水压试验压力的不一致，为了避免这种情况的发生，规定m取值统一为5D(k-0.9)/9t的1/2，这样，既能满足标准要求，也可以使水压试验压力统一。

这样钢管水压试验压力计算公式可统一写成

由此可以看出，当钢管规格、材质、应力系数确定后，钢管的水压值也就确定，而且符合标准要求。

2.4 理论试验压力计算公式

同理，我们可以推算出端面密封条件下钢管理论水压计算公式为

3 不同密封条件下钢管静水压试验压力的比较

在最小屈服强度和环向应力系数一定的情况下，表1给出了不同压力计算公式计算的钢管水压试验压力。从表1可以看出，无论是径向密封还是端面密封，标准规定的压力计算公式比较保守，计算出的理论压力值相对较低。

表1 不同规格钢管不同公式计算的试验压力

4 结论

（1）标准给出的压力计算公式比较保守，计算的试验压力相对较低；

（2）无论采用端面密封还是径向密封，本研究给出了通用压力计算公式，计算相对方便；

（3）决定试验压力的关键是密封系数的选取，在满足标准要求的情况下，本研究给出了密封系数计算公式；

（4）利用密封系数和通用压力计算公式，可以方便地确定钢管水压试验压力，而且压力是唯一确定的；

（5）按照标准给定的径向密封条件的压力计算公式，即使在端面密封条件下计算试验压力，也不会导致钢管实际压力超过屈服强度。

［1］李必文，陶文辉，殷立洪.钢管静水压试验端部密封形式的应用探讨[J].钢管，2008，37（2）:61-64.

［2］API SPEC 5L(第45版)， 管线钢管规范[S].

［3］GB/T 9711—2011，石油天然气工业管线输送系统用钢管[S].

［4］刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].第5版.北京:高等教育出版社，2011.

［5］唐永进.压力管道应力分析[M].第2版.北京:中国石化出版社,2010.

［6］武占芳，任景辉，薛向庭.钢管水压试验用端面密封材料与密封技术的研究与开发[M].北京:石油工业出版社，1998:164-166.

［7］毕宗岳.端面密封条件下钢管静水压试验压力的确定[J].焊管， 2006， 29（1）:62-64.

［8］武宪功.大直径钢管在轴向压力作用下的极限承载能力分析[J].石家庄铁道大学学报，2010，23（2）:126-129.

［9］刘洪飞.钢管静水压机水压与油压的计算[J].焊管,2009， 32（8）:47-54.

［10］金兆光，田华蕊.超高压油缸活塞密封设计与研究[J].鞍钢技术， 1997（5）:51-52.

Discussion on Relevant Problems of Welded Pipe Hydrostatic Test

SU Qi,QIN Xiaohu,WANG Shaohua
（Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In this article,it introduced radial sealing,end face sealing and pressure calculating formula in welded steel pipe hydrostatic test.According to different using conditions,the differences between standard pressure and theoretical pressure were contrasted and analyzed.The sealing coefficient,general pressure calculation formulas were put forward,and the steel pipe hydrostatic test pressure values by different pressure calculation formula were compared.The research results showed that the pressure calculation formula from standard is conservative,the test pressure is relatively low;whether use end face sealing or radial sealing,it can conveniently determine steel pipe hydrostatic test pressure value by using the sealing coefficient and general pressure calculation formulas in this study.

welded pipe;hydrostatic test;circumferential stress coefficient;test pressure;seal coefficient

TG115.6

B

1001－3938（2015）10-0042-03

苏 琦（1956—），男，高级工程师，宝鸡石油钢管有限责任公司副总工程师，长期从事钢管生产、工艺、设备技术研究及管理工作。

2015-06-04

罗 刚