_油气管道屈服强度影响因素的研究

引
言
管道投产前的试压是保证管道运行安全、可靠 性的重要手段。目前我国试压压力比其它国家压力 值偏低 , 在一级地区为 1 1 倍 的设计压 力, 仅为 79 2 % SMYS (规定的材料最低屈服强度 ) 。 近年来国内不少管道专家建议提高管道试压的 应力水平, 提出用水试压时最低点环向应力不大于 100 % S MYS ( 甚至更 高 ) 的建议
给出了管道在两向应力下屈服强度曲线 , 横坐标代 表轴向应力 (
L 1
2007 年
第 35 卷
第 9期
段庆全等 : 油气管道屈服强度影响因素的研究
15
纵坐标 (
c
/
0
) 代表环向应力 (
c
=
2
) 与管材
差异 , 统计材 料表明, 所有 管材的屈服强 度大于 AP I Spec 5L 规定的最低屈服强度 ( S MYS) , 70 % 管材的屈服强度大于 110 % S MYS 。 ( 2) 制管过程的 Bausch inger 效应使得钢管的 屈服强度低于 板样的屈 服强度 , 平均 Bauschinger 效应值小于 10 % S MYS 。 ( 3) 考虑多向应力对屈服 强度的影响 , 对于 埋地管道。管道屈服强度与管材屈服强度的比值为 1 11 ; 对于裸露管道 , 管道屈服强度为 1 15 0。
石 2007 年 第 35 卷 第 9期
油
机
械 13
CH I NA PETROLEUM M ACH I NERY
专题研究
油气管道屈服强度影响因素的研究
段庆全
摘要
*
张
宏
闫
锋
王立佳
( 中国石油大学 ( 北京 ) 机电工程学院 )
针对目前国内外油气管道最高试压压力标准不明确的问题, 在统计国内外代表性管线
参 1 叶学礼 考 文 献
= 0 3 c, 由此可得管道屈服强
度与管材屈服强度的比值为 1 11。对于裸露管道 , L = 0 5 c, 管道屈服强度为 1 15 0。 表 3 列出了螺旋焊缝、直焊缝不同级别管线钢 的水压爆破试压结果 , 试验结果表明 , 72 % 钢管屈 服应力超过 125 % S MYS , 所有钢管 的屈服应力大 于 110 % SMYS。
屈服强度的比值。负值代表管道轴向为压应力。
图 3 管道在两向应力下屈服强度曲线
由图 3 可知, 当管道的轴向为拉应力时, 在一 定范围内可以使环向的屈服强度提高。对埋地管道 而言, 轴向应力
L
( 4) 综 合 以 上 分 析 , 一 方 面, 制 管 过 程 的 Bauschin ger 效应使得 钢材的屈服强 度低于板 样的 屈服强度 , 另一方面, 管道承受多向应力状态, 使 得钢管屈服 强度大于 110 % S MYS 。钢管的 水压爆 破试验也 证明钢 管的屈 服强度 高于 110 % S MYS 。 因此 , 在油气管道采用水介质试压时, 现场试压最 低点 环 向 应 力 不 大 于 100% SMYS ( 甚 至 110 % S MYS) 情况下, 整体 管道并没有达 到屈服状 态, 是安全的试压压力。
[ 3, 4 ] [ 2]
; Chen W eix ing 研究 表明, 水试
[ 5]
压降低了裂纹扩展 速度 。因 此, 尽管 较高的试 压压力可增加排除管道中缺陷的数量 , 延长管道使 用寿命 , 然而在采用较高试压压力时 , 应尽量避免 整个管道发生屈服现象。为此 , 笔者将分析生产厂 家、 Baush in ger 效应、应力状态等因素对管道屈服
屈
强 最小 0 820 0 760 0 060
比 平均 043;
2 2
-
1
2
+
2 2
<
2 0
) 时,
2 1
最小 445 426 19
材料处于弹性状 态, 当应力 点落在屈强曲 线 (
1 2
板样 管样 差值
<
2 0
) 上 , 材 料进入塑性状 态。图 3 = ) 与 管材 屈服强 度的比 值,
应力状态的影响
对于承受内压的埋地管道受力状态 , 可以看作
图 1 X 70 钢屈服强度统计分布 ( 鞍钢 )
平面应变问题 , 并忽略径向应力 , 只考虑承受环向 应力与轴向应力 。下面分最大拉应变屈服条件、 畸变能屈服条件研究其屈服应力的大小。 1 最大拉应变屈服条件 对埋地管道, 轴向应变
L L c c [ 8]
0 1 2 2
[ 6]
-
2
) + (
2
2 2
-
3
) + ( 4)
0
3
1
) ] = K
表征屈强特征的参数, K = 简单拉伸屈服应力。
2 1
/ 3 ;
对于二维应力状态 , 畸变能条件为 式 ( 5) 为 1、
1
+ 2 = 0 ( 5) 平面内的一个椭圆。当应力 2
2 2 1
2
2
/M Pa 平均 465 2 446 0 19 2 最大 0 860 0 850 0 010
= 0 , 由此可得到 ( 1)
2
= =
E
c
1-
图 2 X 70 钢屈服强度统计分布 ( 浦项 )
式中
L c
轴向应力; 环向应力 ; 管材泊松比 ; 管材弹性模量。
Bausch inger效应的影响
E 所谓 Bauschin ger效应就是经过预先加载变形 , 然后在反向加载变形时屈服强度降低的现象。在应 用中, B ausch in ger 效应值 ( VBE ) 的大小可用同一 管材制成管前后屈服强度值的差来表示。该值是形 变硬化和 Bauschin gex 效应综合作用的结果。 制管过程 为管材的弯曲成 形过程 , 从断面来 看 , 其外层由拉应力进入塑性区, 而其内层由压应 力进入塑性区, 这样就更增加了制成管后 , 对其总 体 Bausch inger 效应值 ( VBE ) 的估计或预测的复 杂性。制管过程中和 随后管样压平 拉伸试验过程 中 , 钢管因为 Bauschinger 效应而使屈服强度的损 失可达 15% 。吉玲康对国外某生产公司的 X65 管 线钢进行了研究 , 表 2 为拉伸性能试验结果 , 板 卷与钢管的抗拉强度、延伸率变化不大, 而管样的 平均屈服强度降低了 19 2 M Pa , 平均屈强比降低 了 0 041 。库鄯管线使用的 2 批由美国某公司生产 的 X65 螺旋钢管用热轧卷板 , 由国内制管厂制管 [ 7] 后 , 经检 测其 Bauschinger 效应 值 ( VBE ) 为 : 第 1 批平均降低 22 94M Pa , 最高降低 56 MP a ; 第 2 批平均降低 14 5M Pa, 最高降低 31 MP a 。
s
= 1 10
0
式 ( 3) 说明管道的屈服强度不同于管材的屈 服强度, 管道的屈服强度为管材的 1 10 倍。 2 畸变能屈服条件 畸变能屈服条件又称 M ises 条件, 它认为与物 体中 1 点的应力状态对应的畸变能达到某一数值时 该点便屈服 。以主应力表示的畸变能屈服条件为 J2 = 1 [( 6 ( 式中 K
表 2 拉伸性能试验结果统计分析 [ 6]
试 项 验 目 最大 486 466 20
t0 5
采用 AP I标准, 当环向应变为 0 5 % 时对应环 向应力为管道环向的屈服强度 s。 0 5 %E 2 1对于一般钢材管材 , 将其屈服强度
s
=
( 2)
0
= 0 5 % ( 3)
E,
=0 3 , 代入上式得
[ 1]
管材屈服强度的分布特征
20 世纪 70 年代 初, T ranscanada 首次 使 用了 X70钢级的钢管。目前 X70 钢级管线钢厚板、卷板、 钢管已大批量生 产并投入使用。不同 生产厂家的 X70管线在化学成分、力学性能上存在一定差异。 在收集鞍钢、浦项钢厂的管材性能的基础上, 表 1 是管材的屈服强度、屈强比等参数的分布特征的对 比。 X70钢屈服强度统计分布如图 1 、图 2所示。分 析结果表明, 屈服强度分布基本符合正态分布。浦 项 X70 钢的抗拉强度、屈服强度比鞍钢的高 40~ 50 MP a 。统计鞍钢生产的管材为 372 根, 平均屈服强 度 537 MP a , 相当于标准规定值的 1 11倍。其中有 70 % 的管道都高于 110 %S MYS 。统计浦项为 139根, 平均屈服强度 579M Pa , 等于标准规定值的 1 19倍。 其中 92 % 的管道高于 110 %S MYS 。
输气管道工程设计规范 GB50251 2003关 于试 天然气与石油 , 2001 输油管道强度试 压最高应 管道承压能力逆转 现象的定 1996, 20 2006, 24 ( 2): 5~ 8 北 潘家华油气储运工程著作选 集 ( 第三卷 )
表 1 X 70 钢管材力学参数对比
钢厂 标准 鞍钢 浦项 483 屈服强度 /M Pa 最大 615 685 最小 485 485 平均 537 579 标准 屈 最大 0 91 0 90 强 比 最小 0 76 0 69 平均 0 85 0 82
。在 工程实践
中各国也倾向于采用高强水试压。如美国安然公司 和皇家荷兰壳牌集团的企业标准都规定了最高强度 试验压力可以达到 100 % S MYS , 美 国国内许多管 道工程也实际采用了 100 % 甚至 105 % S MYS 的最高 强度试验压力。我国西气东输工程也规定了 95 % SMYS 作为管道试压的最高强度试验压力。 国内外学 者对试压压力给管道的影响做了研 究。潘家华认为过高的试压压力将出现承压能力逆 转 ; 张宏认为试压压力采用 100 % S MYS 会使管 道的使用寿命延长, 较高的试压压力引起的承压能 力逆转量不大