富崇悦 托 博 牛志勇 岳 阳 乔 峰

（1.国家管网集团山东天然气管道有限公司，山东 济南 250000；2.廊坊中油朗威工程项目管理有限公司，河北 廊坊 065000；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.国家管网集团西南管道有限责任公司兰州输油气分公司，甘肃 兰州 730060；5.中国石油青海油田分公司管道处，青海 格尔木 816000）

0 引言

油气勘探向极地、沙漠、海洋拓展，恶劣环境给新建管道建设提出更高要求。大口径、高压力、高钢级成为长输管道发展方向。因管材钢级和输送压力提高，管道脆性断裂事故基本消除，主要预防延性断裂事故。输气管道断裂会造成灾难后果，1960年美国TransWstern输气管道破裂，钢级X56、管径762mm，破裂长度达13km。1989年前苏联乌拉尔山隧道输气管道泄漏引发爆炸烧毁两列火车，死伤800多人。输气管道延性断裂一直是研究热点问题[1]。夏比V型冲击功CVN是管材断裂韧性重要评价指标。以西气东输二线为例，阐述了根据Battelle双曲线模型、国外管道爆破试验数据库和经济安全原则，确定X80管线钢管断裂韧性指标。总结研究路线成果可为我国新建高钢级、大口径、高压力管道工程提供借鉴。

1 典型管道断裂控制模型

钢管制造、施工和服役过程中产生缺陷及机械损伤，增加了裂纹萌生概率。天然气减压波速度约400m/s，远低于原油减压波速度约1500m/s，裂纹扩展速度低于介质减压波速度时裂纹停止扩展。输油管道主要是起裂控制，输气管道应考虑起裂控制和止裂控制。国外针对输气管道延性断裂开展深入研究，管材止裂韧性与管道环向应力、管径、壁厚等因素有关，代表性管材止裂韧性预测Battelle公式，如式（1）所示。其他机构提出的止裂韧性公式源于Battelle公式，英国天然气公司考虑了裂纹扩展初始速度，如式（2）所示；CSM考虑管道埋深，如式（3）所示。

式中σH环应力，MPa；R管径，m；t壁厚，m；v0裂纹扩展初始速度，m/s；d埋深，m。

2 高钢级管道断裂控制模型

研究表明Battelle公式及推荐值（CVN＞94J）不适用于X80及以上高钢级管道。高钢级管道屈服强度和设计压力值较高，按照Battelle公式计算止裂韧性值结果偏于危险。日本钢铁协会提供X70 UOE（管径1219mm、壁厚18.3mm、设计压力12MPa）爆破试验数据，在10m和20m内止裂所需CVN分别是180J和130J，按照BMI公式计算管材CVN仅为119J。

Wilkowski提出通过预制裂纹的DWT、压制缺口的DWT及夏比V型缺口的能量关系，确定高钢级管材止裂韧性值，统计分析大量爆破试验数据提出修正公式：

Leis基于大量全尺寸爆破试验数据提出高钢级管道止裂韧性修正公式，计算指数由2.04提高至2.1得到止裂韧性上限值。Leis修正公式不适用输送介质为富气和出现断口分离情形。

式中CVNArrest韧性大于94J管材韧性值；CVNBMI按照Battelle公式计算的管材韧性值。

日本钢铁协会提出避免高钢级管道断口分离对止裂韧性预测的影响，采用Gasdecom气体减压波曲线-DWT能量双曲线模型，得到管材韧性CVN与DWT断裂扩展能量DP关系。

高钢级管道可能出现断口分离问题，CVN转变曲线出现上升平台行为（CVP/CV100>1.25，CVP是冲击转变曲线上平台能；CV100是开始出现100%剪切面积时的冲击能量），采用BMI双曲线法计算止裂韧性预测值不能保证管道安全。

定义裂纹尖端张开角（Crack Tip Opening Angle，CTOA）。临界状态下管材最大延性裂纹扩展驱动力等于材料延性裂纹扩展阻力，即管道裂纹延性扩展中最大裂纹尖端展角CTOAmax等于材料临界裂纹张开角CTOAc，若CTOAmax≥CTOAc裂纹扩展；CTOAmax＜CTOAc裂纹止裂。CTOAmax可用经验公式或弹塑性有限元法计算。CTOAc表征材料止裂韧性，通过测试缺口深度为a1=10mm和a2=36mm的DWT试样吸收能及断口剪切面积得到。

式中Et是DWT试验裂纹剪切扩展能量；A缺口净面积；W试样宽度；σod材料屈服应力。

3 X80管线钢管断裂控制指标

Battelle双曲线模型适用范围是钢级≤X80、设计压力≤12MPa、径厚比满足40＜D/t＜115以及输送介质为单相或富气，如管材止裂韧性预测值大于100J，应进行修正：根据规格相近管道爆破试验结果进行修正，该方法考虑上升平台因素，比较可靠；统计实际管材断口分离情况，这种针对性修正有一定局限性；考虑数据离散性，计算结果采用安全系数1.4，这是一种数学意义处理方式。以西气东输二线为例，参考国外X80钢管气体爆破试验数据库上，提出2个修正系数，修正系数1.71包括所有裂纹扩展点，较为安全，要求管材止裂韧性值较高；修正系数1.43未包括日本住友公司气体爆破试验，该试验止裂冲击韧性值很高，可能与管材存在断口分离有关。考虑安全可靠和经济可行，取修正系数为1.71，确定的管材止裂韧性值为220J（单个最小值170J）。西气东输二线X80管材止裂韧性指标如表1所示。

表1 西气东输二线X80管材止裂韧性指标

4 全尺寸钢管气体爆破试验

全尺寸爆破试验是确定管道止裂韧性可靠方法。做法是试验段将钢管按照韧性由高到低排列，钢管在低韧性管段起裂，在高韧性管段止裂，发生止裂钢管韧性即为管材止裂韧性值。新建管道设计参数超出爆破试验数据库范围，应进行气体爆破试验。国外已开展的管材气体爆破试验数据库统计如表2所示。西气东输二线管径1219mm、设计压力10/12MPa，钢管等级、设计压力、设计系数、壁厚、管径等参数，国外管材气体爆破试验数据库已涵盖，但管材类型X80螺旋埋弧焊管未涵盖。为以后输气管道工程提供依据，开展X80管线钢管全尺寸爆破试验，验证螺旋缝埋弧焊管止裂能力，试验参数为钢级X80，设计压力12MPa，西侧螺旋缝埋弧焊管，东侧直缝埋弧焊管；管径1219mm，螺旋缝埋弧焊管壁厚18.4mm，直缝埋弧焊管壁厚19.1mm。试验结果：管材止裂韧性预测值215J，螺旋缝埋弧焊管在198J止裂；直缝埋弧焊管裂纹穿过179J，在第二根焊管233J止裂，管材止裂韧性预测值偏于安全。

5 结语

“十四五”期间，我国高钢级管道仍将快速发展，应持续开展天然气管道断裂控制技术研究，为新建管道建设提供技术支持。高钢级管道根据设计参数，使用Battelle公式计算结果进行修正。输气管道运行过程中应参照设计参数，监控管输天然气组分、运行压力和温度，避免因设计参数和实际运行参数相差较大，影响管道安全可靠性。