一种高钢级输送钢管延迟开裂扩展控制技术

2023-08-27吕成秀张晓霞刘胜斌刘迪龙

设备管理与维修 2023年14期

吕成秀，张晓霞，刘胜斌，汪超，刘迪龙

（渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏南京 210061）

0 引言

新疆煤气输送管道工程项目是中国石油化工集团有限公司牵头的一项重大工程，该工程管道途径广东省，实现把新疆地区的天然气输送到浙江省。该工程项目所使用的钢管钢级为X80M，外径1219 mm，壁厚为18.4～22.0 mm。该项目需要突破和解决的技术问题与所运输的天然气的性质有关，即这种天然气中含有由煤炭气化产生的气体，该气体中含有一定量的H2（氢气）和CO2（二氧化碳），该气体将会影响到钢管阻止延迟开裂的能力。目前大多数的管道工程项目，输送的气体组分一般为4%的CO2和8%的H2，且输送压力约为12 MPa。

1 延迟开裂扩展控制技术简介

延迟开裂扩展是由裂缝端部到尾部流体的膨胀释放的能量所驱动。在开裂扩展过程中，裂纹尖端会产生一个应力集中点，且周围也会产生一个大的塑性变形场，这将会导致钢材加工硬化，以及裂纹尖端前方管道的椭圆化和扁平化。在稳态条件不变的情况下，延迟开裂以恒定的速度传播，这个速度由钢材的局部气压和韧性之间的平衡所决定：如果韧性降低，开裂速度就会增加，这样就可能达到新的稳态条件；如果韧性增加，开裂速度就会下降，那么一个新的稳态也会形成。但当韧性足够高时，不会达到稳态扩展条件，开裂就会减弱，并向螺旋方向转变，并达到最终的止裂效果。

在发生延迟开裂扩展的情况下，通常通过设定能够确保开裂止裂的最低韧性来控制延迟开裂的扩展，如使用最小的夏比冲击功，并根据给定的模型计算，最常用的是双曲线模型。该模型将钢管韧性或阻力和驱动力分开考虑，驱动力是由气体减压引起的，是气体成分、温度和内压的函数，而韧性取决于钢管材料和几何特性。

双曲线法适用于钢管运行压力≤12 MPa，钢管等级≤X80M（API 5L），夏比冲击功≤100 J 的焊管。当预测的止裂韧性＞100 J 时，则需要采用一个适当的修正因子。当超出验证范围时，一般通过全尺寸试验来评估或验证材料的开裂性能，这种全尺寸试验被认为是适用于现有实验数据库之外的管道设计的最普遍的方法。

输送流体组合物可以显著增加所施加的驱动力，从而影响止裂能力。因此，在预计管道失效的情况下，评价流体成分对其减压的影响非常重要。在本项目中，大部分流体是CH4，其中的H2和CO2含量有限。由于输送气体中H2含量较少，故对本项目设想的气体组成的影响不大。但H2可能影响材料的韧性，导致管线钢的氢脆。在碳钢管道中，气态氢存在时脆化的严重程度取决于气体压力和钢的微观结构特征。对碳钢材料中气态氢迁移引起的脆化进行研究，发现在静态和循环载荷下，如果钢管一旦存在缺陷时，材料的脆化开裂韧性就会减小，材料在存在气态氢时的韧性阻力可以根据适当的标准进行评估。另外，少量CO2的存在会影响气体减压曲线。

与减压过程中压力不断降低的输送天然气的管道相比，超临界/液态CO2管道输送CO2的管道将暴露在一个基本恒定的临界压力下（气体减压曲线的平台），这意味着可以施加更大的驱动力。CO2管道滞留压力的计算应通过具体的开裂滞留试验或现有的开裂试验数据库进行验证，并应充分考虑安全因素，在某些试验中即使饱和压力低于预测的止裂压力，致密相富CO2混合气管道仍然可能发生开裂扩展。

2 双曲线校正系数的选定

双曲线法是评估抗延迟开裂扩展最低韧性值的最公认的方法之一，是在一个特定的测试条件范围内得到的验证。本项目由于气体成分主要是CO2和H2，已经超出了这个验证范围，故不能适用。

为了正确预测在其验证范围之外的韧性要求，包括根据过去的实验经验，并尽可能接近被评估的情况，需要采用适当的修正因子。将大口径（≥914 mm）和高压力X80M 管道全尺寸开裂扩展试验结果数据库与双曲线预测值进行比较，结果表明预测值乘以1.43 的系数就足以保证开裂扩展点不出现在扩展/停滞边界以下。在实施完近期的试验测试后，该修正系数更新为1.46，其在测试数据范围内得到普遍认可，但如果超出这一范围则需要重新进行计算和验证。

为得到该项目的最佳修正系数，收集X80M 输送钢管进行的延迟开裂扩展试验的数据，其中不包括为本项目和在俄罗斯进行的试验（俄罗斯试验没有包括在内，因为没有关于单个测试输送钢管韧性性能的详细资料，只有每次试验中使用的输送钢管的平均夏比V 形切口值）。

将双曲线法预测到的最小夏比V 形缺口冲击功与实际冲击功进行比较，可以看出双曲线法在预测X80M 钢管的最小止裂条件方面的效果并不是很好（图1）。实际上，位于双曲线法预测（1∶1 的斜率线）之上，可以确定修正因子的保守值为1.46（所有的开裂传播实际上都可以应用这个修正因子）。

图1 冲击功比较

3 止裂计算软件

作为该项目的主要成果，有关公司开发了开裂止裂计算软件，它能够处理不同的钢管几何形状、钢级和条件的温度、压力和气体成分，即纯净气体和含有多种物质的混合气体，其中包括CO2和H2两种气体。

在本项目中，评估焊管全尺寸爆破试验对于潜在扩展韧性开裂的最低韧性要求时，采用CATC（止裂韧性计算模型）工具。例如，双曲线模型规定，当驱动力与阻力曲线相切时定义为止裂所需的最小开裂韧性值，以94%天然气（即99%甲烷）、1%氮气、2%二氧化碳和3%氢气的混合气体为增压介质，压力为12.0 MPa，与397 MPa（0.72 SMYS）的环向应力相对应。这就是下面所描述的全尺寸试验所用的气体成分，具体计算结果见图2。可以看出，对于具体的项目条件而言，较低的CO2百分比不会严重影响减压曲线。

图2 双曲线模型图表

CATC 软件也允许用户考虑使用一个特定的修正系数，在本项目中，X80M 钢级设定的修正系数在1.46～1.65。因此，最低韧性要求亦已根据采用的修正系数作出修正（表1）。

表1 双曲线预测的未修正和修正的最低韧性值J

4 全尺寸爆破试验和敏感度分析

为了确定选用钢管的抗延迟开裂扩展的能力，本工程所采用的是钢级X80M，外径1219 mm、壁厚18.4～22.0 mm 的钢管进行全尺寸爆破试验，钢管的运行压力为12 MPa。

试验段使用的钢管是由不同的制造厂家生产的，试验段总长111.5 m，由11 根钢管（其中1 根为引管，10 根为试验管）组成。试验段的西侧采用壁厚18.4 mm 的螺旋埋弧焊焊管，东侧采用的是壁厚22 mm 的直缝埋弧焊焊管，同样试验引管也采用的是直缝埋弧焊焊管。

实验钢管装上实验仪器后将全部埋起来，然后加压、将目标气体混合物的压力加到12 MPa，并通过安装在引管（爆炸点）上的炸药引爆钢管，管壁温度（约+15 ℃）足以保证钢管的延迟开裂扩展。开裂在试验管上以极高的速度向两个方向定期注入和扩展，同时它又靠裂纹开裂部位及其后方的气体减压产生的驱动力来维持。通过实验管沿线安装适当的电气化导线（即“定时导线”）对试验过程中开裂的扩展速度进行测量评估，根据每根定时导线在试验管上的位置和开裂发生的时间，计算出局部速度。

该实验与CATC 模型预测结果相一致，开裂在起爆管内扩展，并在西侧（W1 管）和东侧（E1 管）的第一根钢管内止裂。尽管这两种钢管的韧性值有些分散，但仍然可以认为，本实验与X80M 钢管的预测是一致的（修正因子为1.46～1.65）。止裂均呈现典型的螺旋化轨迹，尤其是W1 管上的螺旋焊缝对止裂没有影响。断口表面的分析表明，所有开裂扩展完全是延迟的。