1管道延性断裂止裂控制
目前国际上已经提出的止裂准则有：速度判据和能量判据。速度判据：Vm≥Vd，裂纹扩展；Vm<Vd，止裂。其中Vd为气体减压波速；Vm为裂纹扩展速度。能量判据：G≥Gd，裂纹扩展；G<Gd，止裂。其中Gd为材料的断裂阻力；G为裂纹扩展驱动力。美国BMI（BattelleMemorialInstitute）是世界上最早进行天然气管道止裂问题研究的机构。开展相关研究的其他机构还有EPRG（EuropeanPipelineResearchGroup）、JISI（JapaneseIron&SteelInstitute）、AISI（AmericanIron&SteelInstitute）、TGRC（CNPCTubularGoodsResearchInstitute）等。这些机构在研究天然气管道止裂问题的过程中，提出了诸多公式[2]（表1，其中CVN为全尺寸夏比试样冲击韧性，J；H为环向应力，MPa；R为钢管半径，mm；t为钢管壁厚，mm；D为钢管外径，mm；d为埋深，mm；E为弹性模量，MPa；A为断口面积，mm2；EPN-DWTT为标准压制缺口DWTT能量，J；APN-DWTT为DWTT试样断裂面积，mm2；Echarpy为夏比冲击上平台能，J；Acharpy为夏比冲击试样断裂面积，mm2；CVNM为M参数法预测的止裂韧性，J；Sy为屈服强度，MPa；CVNArrest为94J以上管材止裂所需夏比冲击韧性值，J；CVNBMI为用Battelle双曲线分析法得到的止裂所需夏比冲击韧性值，J；CTOAmax为临界裂纹尖端张开角；C为回填常数；f为材料的流变应力，其值为Sy+68.95，MPa；m、n、q由输送介质决定；Vf为裂纹扩展速度，m/s；V为减压波速度，m/s；V0为起始状态下介质中的声速，m/s；pH为管内压力，MPa；pa为止裂压力，MPa；pd为减压后的压力水平，MPa；pi为开裂前管内压力，MPa；为起始状态下气体的比热容，J/（kg·K）。综上可见，止裂CVN可以统一写成CVNbcdaRt的形式，其中a、b、c、d为参数，在不同公式中差别较大。出现这种现象的根本原因在于：尚未找到反映高钢级材料中裂纹扩展和气体减压波速度关系的真正表达式。而且当CVN>100J时，在试验中出现了模型预测的止裂韧性值小于实测值的不安全现象[7]。防止管道大范围断裂现象的发生，一方面可以采用具有相应抵抗裂纹扩展驱动力的材料，另一方面可以采用结构性止裂措施，以达到尽可能使裂纹快速停止、扩展距离最小的目的。结构性止裂措施可以在高风险段安装止裂器（CrackArrestor，简称CA），以增大管道的断裂抗力和裂纹扩展阻力。而研究表明，对于超高强度大直径管线钢管（钢级超过X100），实际工作条件处于延性裂纹止裂的上限，在严酷条件下，难以依靠自身条件实现止裂，因此，对于推动超高强度大直径管线钢管的工程应用，采用止裂器实现强制止裂是必要的[8]。
2止裂器
2.1主要类型国内外对于止裂器的研究已有30多年的历史，设计了种类众多的止裂器，设计目的大都是降低裂纹驱动力。当前采用的不同形态的止裂器，根据在输气管道上的安装方法不同可以分为两类：整体止裂器和非整体止裂器。整体止裂器嵌入管道成为管道的一部分，而非整体止裂器是分为几部分装配在管道外部[9]。2.2.1整体止裂器整体止裂器通常由不同于主管道力学性能和几何尺寸的管段或管环组成。在主体管道中插入壁厚相同的高韧性钢管是最简单直接形式的整体止裂器（图1）。这种止裂形式要求插入的钢管具有足够的韧性，当裂纹尖端进入高韧性管段时，可以止裂，将最大断裂长度限制为两高韧性管段的间距，从而确保裂纹扩展不发生在主管道。这种中间插入高韧性管段的形式与全部使用高韧性管道相比，要经济很多。另外一种整体止裂器是沿管道轴向间隔地插入韧性相同但局部管壁加厚的管段，裂纹进入这一管段后，使稳定扩展的裂纹遇到突然抵抗，部分吸收驱动裂纹扩展的能量，从而得以止裂。但是，这种管道考虑到内部壁厚余量，对于外径公差有要求（图2）。对于金属结构材料，无论锻件、板材、管材或棒材，都具有不同程度的宏观各向异性。钢板顺轧制方向和垂直轧制方向冲击韧性值大不相同，顺轧制方向冲击值要高很多。因此，每隔一段插入一个轧制方向不同的管段，通过改变裂纹扩展路径，消耗裂纹扩展能量，达到止裂的目的。这种方法可以达到与插入高韧性管段同样的效果。2.2.2非整体止裂器非整体止裂器的优势是可以在现有在役管道外部进行组装，无需使用大型装备。非整体止裂构件的作用，或者是降低裂纹驱动力的值，或者是提高局部截面的材料断裂韧性，它们将限制裂纹在管道上的扩展，减少事故危害。目前的非整体止裂构件形式虽然各有不同，但其原理都是在局部增加管道止裂能力，将破坏限制在一定范围内。最普遍使用的非整体止裂器是钢套式止裂器（steelsleevecrackarrestor），钢套式止裂器（图3）可以分为：紧钢套式（Tightsleeve），采用过盈配合的形式固定在主管道上。因为在止裂器和管道间没有空隙，所以不便于安装；松钢套式（Loosesleeve）和间隙填充式（Groutedsleeve），管道与止裂器之间有径向间隙，其中间隙填充式止裂器的间隙用水泥灰浆或环氧树脂进行填充[10]。2.2国内外研究现状2.2.1国外国外止裂器的发展历史最早可追溯到20世纪70年代早期，CSM发明了钢丝绳式止裂器（Steelropecrackarrestor）和环型止裂器（Toroidalcrackarrestor），将多股钢丝绳或一股小直径金属丝/棒缠绕在管道外部阻止管道变形和延性开裂（图4）。但是，这种方法钢丝绳容易腐蚀，且装置安装时容易划伤管道表面，造成二次损伤[10]。国外以往工程实践中，采用的止裂环大部分为钢环，沿轴向布置在管道外侧，并保持一定间隔。例如，1982年公开的美国专利US4327473，采用在管外套上（松套或焊接）圆环或圆盘的方法，在裂尖处产生约束作用，从而降低裂尖应力强度，增加断裂阻力，达到止裂目的[11]。但是，这种金属止裂环主要是借助外力减小管道开裂后的张开变形，不能完全预防裂纹起裂及扩展。用混凝土等增加管壁配重也是一种提高缺口约束力的方式。在管子左右对称的一侧加一个重物，破坏其对称性，裂纹尖端将被迫朝斜向或环向发展，且偏离主应力方向，使应力减弱而达到止裂目的。尽管该方法取得了试验性进展，但不适合在施工现场广泛使用[12]。铸铁夹具止裂器（Castironclampsascrackarrestor）如，也曾被用于延性止裂。用螺栓将这种夹具固定在主管道上（图5），用来替代CSM的钢丝绳式止裂器，以实现止裂的效果。但是在土壤的腐蚀作用下，这种止裂器会加速腐蚀，极大降低了止裂器的服役寿命，需要额外增加防腐涂层[10]。近年，国外报道了将玻璃纤维增强复合材料作为局部增强带对管道进行结构止裂的应用，为管道的断裂控制提供了有效手段。例如，2010年美国专利US2010/0084038A1[13]、2013年美国专利US8353317B2[14]均公开了相关方法。NCFIndustries开发了Clockspring止裂器（图6[10]），将玻璃纤维浸渍树脂带缠绕在管道上，由弹性回弹组分夹紧，作为局部增强带对管道进行结构止裂。Clockspring止裂器特别适用于现有在役输气管道的修复，具有不停输、不动火、简单快捷的特点，为在役不停运、不降压输送管道的断裂控制提供了一种妥善有效的解决方法。FAWLEY等[10]采用天然气复合玻璃纤维工业（NCF）的增强玻璃纤维专利开发了一种复合增强管道体系（CRLP体系），CRLP体系由E-玻璃纤维沿着聚酯树脂方向拉拔，缠绕于主管道钢管外表面。在同样的壁厚条件下，该方案可以增加止裂环的承载能力。钢管制造商，如欧洲钢管基于同样的理念，设计制造了复合止裂器（图7），并用于Demopipe全尺寸爆破试验中。但是，采用该类复合材料增强带修复、增强技术无法保证非金属材料与金属管体之间界面的紧密贴合。复合材料增强带的弹性模量及强度均较低，因而补强层的厚度会较厚，对后续防腐造成一定困难，对基体承载能力的提高程度也很有限。此外，复合材料增强带外表面常常由于第三方施工等因素受到机械损伤，造成自身在应用前期已存在缺陷，在实际应用中无法真正起到止裂作用，这也成为复合材料现场应用的一个亟待解决的关键问题。2.2.2国内我国对于止裂方面的研究起步相对较晚，且现有研究工作都是以国外研究成果为基础。近几年，随着超高强管线钢的发展应用及其止裂问题的出现，对天然气管道止裂控制研究的关注程度逐步提升。对于止裂器研究的关注点也基本与国外同步，早期主要集中在钢制止裂器的设计和研究方面，形成了相关专利，如CN2151345Y发明了一种在工作现场不停车、不动火对在役管道实施止裂的装置。该装置的止裂方式是在已固定的管子外，将钢丝以一定预紧力，缠绕在含裂纹或缺陷的管子处，达到止裂目的[15]。CN102261564A提供了一种用于X100及以上级别天然气管道延性断裂的止裂方法，其设计思想是：在X100或更高级别的钢管中间，每隔50～100根钢管（长度600～1200m），连接强度级别相对较低而壁厚和韧性相对较高的两根或两根以上的止裂钢管，其壁厚按与主管道相同的承压能力进行计算，其韧性按ISO3183：2007《石油天然气工业——管道输送系统用钢管》、APISpec5L：2007（第44版）《管线钢管规范》附录G推荐的方法确定[16]。近几年，随着国外新型复合材质止裂器的研究和开发，我国也在该领域取得了一定成果，专利CN101205999A提供了一种金属管道的修复补强/增强和止裂的方法，主要特征是在管道需要修复补强/增强或需要止裂的部位先包覆绝缘材料，然后缠绕高强度纤维复合材料[17]。专利ZL200410080359.0公开的碳纤维复合材料补强技术具有复合材料强度高、补强层厚度薄等优点，但因成本相对较高，具有可能发生电偶腐蚀的弱点，尚需进一步完善。专利CN102602093A提出了一种油气输送管道用复合止裂环结构，通过增加耐磨外防护层，使纤维增强层外表面免受外部环境物理损伤，从而避免了因复合材料止裂环外表面机械损伤引起的管道过早失效[18]。2.3止裂器的设计由于止裂器类型、几何构型和性能种类繁多，因此没有针对每种止裂器形成统一的设计准则。而且，目前由于缺乏关于避免裂纹按螺旋路径扩展的止裂器的试验数据和设计准则，因此，这类止裂器在行业中应用很少。整体止裂器的设计主要集中在确定足够的壁厚、长度、韧性值，从而确保裂纹止裂。由于整体止裂器与主管道一起运行，因此，设计中采用与主管道相似的预测手段，如基于Battelle双曲线的夏比冲击功[10]。针对非整体止裂器，PRCI曾提出过设计准则，但试验数据证明现有的PRCI止裂器的设计方针不适于高钢级管线钢，代表ExxonMobilURC的CSM进行的全尺寸爆破试验表明：现行的止裂环设计不能提供安全的效果。而LEIS推荐了另外一种可选方法[19]。由于通常采用的PRCI止裂器设计标准不适于高强管线钢，因此，需要对止裂器的设计方法进行深入研究，获得能够适应恶劣操作条件的新的止裂器设计方法。基于此，有限元数值模拟方法被广泛应用于止裂器设计，其设计思路主要是：根据塑料增强纤维的微观力学性能对复合材料的性能进行预测，将预测结果与试验数值进行比较，通过各向异性失效测量结果反映复杂载荷形式下的材料失效。此外，通过全尺寸拉伸试验和四点弯曲试验评价复合止裂器的在役行为[10]。CSM曾利用模拟软件PICPRO针对X120管线钢试验段进行不同类型止裂器的尺寸优化，并执行PICPRO的一个运算法则，该运算法则可以估算止裂环约束对裂纹扩展的影响，使PICPRO方法成为适合并且可靠描述和预测现存止裂器止裂行为的数学工具。应用PICPRO方法可以正确估计不同类型和几何尺寸的止裂器的有效性[9]。
3总结与展望
大口径、高钢级、大输量输气方式已经成为天然气管道发展的必然趋势，而高钢级（≥X90）管线钢依靠自身韧性止裂的可能性很小，同时缺乏适用于高钢级管线钢止裂器设计的相关准则。为了保证高钢级（≥X90）管道的安全运行，油气管道建设行业应在适用于高钢级管线钢（≥X90）的止裂器的开发及设计准则方面开展相应的研究工作。
作者：张希悉 汪凤 范玉然 单位：中国石油天然气管道科学研究院
