油气管道断裂扩展及止裂技术研究

王 旭

（中国石油大学（北京） 北京 102249）



油气管道断裂扩展及止裂技术研究

王 旭

（中国石油大学（北京） 北京 102249）

摘 要：近年来我国油气管道发展迅猛，同时也伴随着种种隐患，其中断裂及裂纹扩展问题复杂而多变，引起的后果也尤为严重。简述了油气管道断裂的内在原因及外在影响因素，介绍了在管道断裂方面的国内的研究现状及进展，也阐述了在裂纹扩展以及断裂控制领域国内的研究成果。为管道断裂、裂纹扩展及止裂问题的进一步研究，提供了参考。

关 键 词：管道断裂；裂纹扩展；止裂

油气管道从制造到施工以及工作运行中，很难免会产生一些裂纹。究其原因：

（1）材料本身：母材分层夹渣。

（2）管道加工：焊接焊缝。

（3）施工过程：表面机械损伤，现场焊接。

（4）运行过程：腐蚀、裂纹扩展。

管道上的裂纹随着时间和环境变化扩展，当扩展到一定情况，达到起裂条件时，扩展则会失稳，速度猛增（取决于材料的性质和温度），破坏巨大。这种破坏在输气管道中尤为明显，在管内高压气体作用下，管道一旦破裂将扩展绵延数百米甚至上千米。

鉴于运送流体易燃易爆的特点，油气管道一旦破裂泄露，后果必然是灾难性的。因此，研究管道破裂的过程，特别是对输气管道破裂后的止裂研究，对于管道的长期安全运行、以及减少管道断裂、降低破裂损失具有重要意义。

1 管道断裂研究

1.1 脆性断裂研究

脆性断裂表现为以材料表面、内部的缺陷或微裂纹为源，在较低的应力水平下（通常不 超过材料的屈服强度），在无塑性变形或只有微小塑性变形的情况下裂纹急速扩展。在出现宏观裂纹后裂纹的扩展速度迅速上升到某个极限速度，大约可达声波在该材料中传播速度的三分之一。在多晶体材料中，断裂是沿着各个晶体内部的解理面产生的.但由于材料中各个晶体及解理面的方向是变化的，因而断裂表面在外观上呈现粒状。脆性断裂有时主要沿晶界产生，因而称为晶间断裂。脆性断口较平齐，且与正应力相垂直，断口附近的截面，在厚度 上的收缩很小，一般不超过3%。断口上常有人字纹或放射花纹。由于脆性断裂前很难发现预兆，断裂时又容易产生很多碎片，是一种非常危险的突发事故，危害较大。

在油气管道运营以来，发生过很多管道脆性断裂事故，世界管道史上最早也是最严重的一次脆性断裂事故发生在1960年，在美国Trans-Western直径为762 mm、壁厚为9.5 mm的管线上进行气压试验时发生，破坏时环向应力仅为0.63（SMYS），而断裂总长为13.36 km。此事故以后引起全世界的关注，并促进了断裂力学及断裂动力学的发展。我国最大的一次输油管道脆性断裂事故发生于1974年冬，在大庆至铁岭输油管道复线进行气压试验时，爆破时环向应力接近SMYS，裂缝长度约2 km。另据四川石油管理局统计，四川气田1970-1990年间共发生100余次输气管道断裂事故，大都是焊缝处脆性开裂［1］。

脆性断裂的产生是由于在承压状态下，管道工作温度低于钢管材料的韧脆转变温度（FATr）所致。后来随着材料加工工艺的提高，管材韧性的加强，脆性断裂大量减少，与此同时延性断裂事故却不断增加。

1.2 延性断裂研究

延性断裂是在较大的塑性变形之后发生的断裂。它是由于裂纹的缓慢扩展而造成的，而 这种裂纹扩展又起源于孔穴的形成和合并。延性断裂的断口表面外观特征为无光泽的纤维 状。大多数多晶体金属的拉伸试验的延性断裂有三个明显的阶段。首先，试样开始出现局部 “颈缩”，并在“颈缩”区域产生小的分散的空穴，接着这些小空穴不断增加和扩大并聚合成微裂纹，裂纹方向一般垂直于拉应力方向。最后，裂纹沿剪切面扩展到试件表面，剪切面方向与拉伸轴线近似成 45°。这三个阶段就构成了通常所见的典型的“杯锥”失效断面。

由于管径增加，输送压力提高，，引发了一系列延性断裂事故，促使了这一领域研究工作的开展，研究的重点是延性断裂的启裂、扩展和止裂。由于钢管制造、施工等方面的原因，以及可能存在的腐蚀坑、应力腐蚀、腐蚀疲劳裂纹，大大增加了启裂（Initiationofafretuer）的可能性。因此，在研究材料韧性与临界裂纹尺寸相关性的同时，人们更加重视裂纹失稳扩展的防止。

1.2.1 断裂力学方法发展

白永强［2］等通过对油气管道内表面半椭圆型裂纹的断裂分析评估，一种在原基础上改进过J积分估算公式得以提出。并通过使用三维FE计算得到了J积分的全塑性解，其变量分别为径厚比、裂纹深度与长度比、裂纹深度与管壁厚比等。同时给出了精确度较高的、基于GE/EPRI的沿裂纹尖端的积分预测，为进一步研究油气管道断裂开拓了路径。

基于瞬变电磁技术，埋地管道的壁厚及缺陷得以检测，从而使埋地管道断裂的应力和可靠性分析成为可能。黄琼［3］结合断裂力学、权函数和极限分析的理论和方法，得到了新的计算应力强度因子的表达式，使得埋地管道的断裂失效分析更为简单实用。

目前管道大范围屈服断裂评估方法中，现有的断裂力学方法具有很大的局限性。出于此种考虑，韩克江［4］等介绍了现阶段管道断裂评估的研究进展，并从四个方面：基于应变的断裂评估和失效评估图、基于约束校正的断裂韧性测试和基于断裂力学的双参数等方面加以详细论述。SENT试件是基于约束校正的管道断裂韧性测试的主要方法之一，韩克江［4］等重点阐述了基于此的断裂评估的研究现状及存在的一些主要问题。展示了基于应变的断裂评估方法的前人工作成果，并主要从驱动力方程和CTOD失效准则两个方面给予了详细分析。其论述内容及研究成果为管道大范围屈服断裂评估奠定了基础。

对于存在环向表面裂纹的海洋石油管道，李杰［5］利用权函数的方法研究其断裂可靠性问题，得到了能够满足工程精度要求的计算应力强度因子的表达式。使用极限分析方法建立起了带裂纹的海洋石油管道断裂可靠性评估模型，并且基于此模型导出了断裂失效概率和可靠度的计算公式。计算结果表明：应力强度因子与裂纹长度和深度呈正相关；当弯矩不变，其他项为随机变量时，带裂纹的海洋管道的可靠度与裂纹深度和长度、管道壁厚和半径无关，与轴力均值呈负相关。

金伟良［6］等详细介绍了基于FAD的断裂评估技术，利用此技术可得到管道任何位置的极限裂纹长度，包括不同受力状态下的含焊接裂纹管道；然后阐述了英国规范BS7910：1999应用于海底石油管道断裂评估方法，通过基于此断裂评估的疲劳评估方法，可得到管道在复杂动荷载作用下的疲劳寿命。这些方法对我国海底石油管道的发展及断裂疲劳评估提供了一定的参考。

1.2.2 冲击实验法

利用夏比冲击实验，吴金辉［7］等分析了管道材料在受到冲击载荷作用时，断裂过程中力的变化、冲击吸收能量和宏观断口关系。利用引进剪切面积这一技术指标来描述材料抵抗裂纹扩展的能力。最后指出管道材料韧性完整评价必须从夏比冲击功和剪切面积两个方面入手。

为研究X80大口径三通的低温断裂韧性和尺寸效应，王海涛［8］等通过夏比冲击、落锤撕裂和三点弯曲试验结合失效评估图技术进行了探索。结果表明：对低温夏比冲击实验，X80大口径三通具有良好表现，相反低温落锤撕裂，表现较差；基于三点弯曲试验计算的X80三通失效评估点均在处于安全区域。

曹欢［9］通过对不同方法测试的管道材料断裂韧性参数的综合比较，结合已有的研究成果，总结出测试高钢级管道钢断裂韧性的最佳参数是J积分和CTOD。通过对X80管道材料在低温（0 ℃）和常温（26℃）的实验，证明了CTOD和J积分参数在高钢级管道钢中的适用性。同时还研究了X8O管道断裂韧性，以及CTOD和J积分在管线轴向和横向这两个方向上的的J-CTOD关系，为下一步高钢级管道的断裂韧性研究提供了参考。

1.2.3 模型法及综合方法

郑洪龙［10］基于油气管道脆性断裂和弹塑性断裂事故的分析，在双判据法的基础上，提出了改进双判据法和和双系数法用来解决确定性问题。而后又引入了模糊概率断裂分析方法来解决不确定性问题。

通过建立新的输气管道减压波模型，宫敬等［11］研究了发生相变时的减压波特性，并计算分析了气质、压力、温度等对减压波传播的影响，得到结论：减压波特性随着重组分的增加、压力的增大和温度的降低将由气体单相转变为气液两相。实验验证了该模型的准确性，为进一步研究输气管道断裂过程中的减压波特性奠定了基础。

基于断裂力学原理，盛燕［12］建立起了大管径含穿透裂纹管道的有限元模型，在静载荷作用下得到了应力强度因子，绘制了应力强度因子和不同断裂参数之间的变化规律图，从而得到了修正因子。在平面裂纹尖端应力强度因子公式的基础上，进一步的修正得到了管道裂纹尖端应力强度因子的修正系数F的表达式，从而为大管径油气管道的完整性评估提供了理论支撑。

魏东吼［13］等总结了数值计算、断裂力学、双判据及简化的工程评定等对含缺陷油气管道断裂失效的评定方法，重点分析介绍了利用FAD即失效评定图的管道完整性评定方法。并且提出了基于FAD的油气管道含周向裂纹的完整性评定的主要方法，为保障油气管道的安全运行提供了技术保障。

2 裂纹扩展及控制研究

2.1 实验法

为研究油气管道中裂纹扩展初始阶段曲折角度的影响因素，马有理等［14］选取了退火预裂纹，其应力比R=-1，分别取β=30°、45°、60°的倾斜角度，详细考察了裂纹初始阶段在混合型应力作用下的扩展路线。结合静载荷作用下测量的裂纹扩展路线分布。实验研究结果表明：开口和滑移方向上的位移量的理论值在倾斜角度较小时大于测量值。基于最大切线方向的应力准则，倾斜角度较大的疲劳裂纹可利用理论计算的位移量来准确预测，而倾斜角度较小的疲劳裂纹的扩展路线的预测，只能通过实验测得的位移量来实现。

基于国产X70，X80管线钢的夏比冲击试验（CVN）和单拉伸试验，陈福来［15］等利用实验测得的管线钢CVN和力学性能指标，计算并分析了对管道断裂扩展速度有影响的诸如流变应力、CVN冲击功、径厚比以及管体外围环境等因素的影响，对工程实际应用有一定的指导意义。结合减压波速和裂纹扩展速度，基于速度准则陈福来［19］编译了程序，为实际工程的止裂设计提供了支持。

2.2 有限元模拟

通过有限元模拟埋地管道在跨越断层条件下管道的裂纹扩展情况，王鹏［16］分析了管道壁厚、管径、倾角和表面摩擦等因素对管道裂纹扩展的影响。记录了不同情况下裂纹的扩展轨迹、裂纹长度和深度以及静载荷作用下J积分，为研究工程实际管道的裂纹扩展过程提供了参照和理论依据。

基于有限元软件ABAQUS建立起的内表面裂纹管道的三维线弹性有限元模型，祁涛等［17］利用Paris公式分析裂纹的扩展，得到了在不同载荷作用下，管道内表面非中心裂纹的扩展规律和路径，以及裂纹偏移角度对裂纹扩展的影响。其计算结果与中心裂纹的分析结果比较表明：基于LBB分析，裂纹的偏心对泄露裂纹计算存在影响，而裂纹稳定性分析中则与裂纹是否偏心无关。

不排除输气管道裂纹扩展过程中的衰减情况，白永强［18］利用建立的有限元模型实现了裂纹动态扩展模拟。分别计算分析了影响动态裂纹扩展的两项参数：能量释放率和裂纹尖端张开角。进一步分析得到了结论：管道内压与管道裂纹扩展正相关；管道壁厚对裂纹扩展有较大影响；止裂长度与裂纹尖端张开角正相关；最大裂纹速度越大，止裂难度越高。

关于输气管道裂纹动态扩展中的流体结构断裂相互作用问题的力学模型，帅建［19］等将其归纳为一维梁模型、圆柱壳模型和有限元模型3种。并通过研究表明：对高韧性钢，可通过确定裂纹尖端张开角来改进现有的止裂韧性预测方法，从而避免传统的CVN和DWTT方法产生的与断裂无关能量损失；为控制动态延性断裂裂纹扩展造成的危害，止裂韧性值和裂纹扩展长度均有预测必要；可通过采用适应裂尖运动情况的重新划分网格技术来改进现有的有限元模拟方法。

输气管道的止裂可通过加强管道自身韧性或者外加止裂构件来实现，陈福来［20］等详细介绍了不同止裂方法和构件的止裂原理以及相关的优缺点。重点介绍并评析了关于裂纹尖端张开角的几个代表性预测模型，比较全面阐述了基于最低夏比冲击功的止裂计算公式以及近年来在该领域取得的研究成果。指明了未来管材的发展趋势，为管道设计研究以及管道安全维护提供了依据。

输气管道断裂控制中一个比较关键的问题是管道断裂过程中减压波速的计算。非等熵效应在小管径中较为明显，所以陈福来［21］建立等熵理论模型和非等熵理论模型来分别计算求解减压波速。并且编译了基于三特征线法求解气体减压波的程序，分析了各种因素对管道断裂过程中气体减压波的影响，指出气体减压波速与起始压力、起始温度、介质和管道直径均有关联。

3 结语及展望

2011年西气东输二线工程全线贯通，这是国内首次在天然气管道上大规模采用X80钢，标志着我国已全面突破了X80钢板、钢管的相关技术标准。该工程累计使用X80钢267万t，相当于西二线之前全球使用X80钢20年的总和。

西气东输的工程实践表明我国在高钢级管道施工、天然气高压输送领域达到了国际一流水平。但在高钢级管道的基础研究领域，我们仍旧是亦步亦趋，一直在追赶世界的脚步［22］。

随着X100钢管的进一步研发，对止裂技术提出了更高的要求，研究高钢级管道断裂止裂技术的迫切性与必要性进一步显现。

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The Technology Status of Fracture Propagation and Crack Arrest of Pipelines

WANG Xv
（China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract:In recent years， the pipelines of oil and gas developed rapidly， but a variety of risks were accompanied. Fracture and crack propagation in pipelines are complex and changeable， which can cause particularly serious consequences. In this paper， underlying causes and outside factors to cause the oil and gas pipeline ruptures were described， the research status and progress in terms of pipeline ruptures were also introduced， and the research achievements in the field of crack propagation and fracture control were summarized.

Key words:Pipeline fracture；Crack propagation；Crack arrest

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0332-04

收稿日期：2015-10-21

作者简介：王旭（1991-），男，河南南阳人，在读硕士研究生，2014年毕业于中国石油大学（北京）过程装备与控制工程专业，目前就读于中国石油大学（北京）石油与天然气工程专业硕士，从事于油气储运安全方面的研究。E-mail：wangx_1991@126.com。