中俄东线OD 1 422 mm埋地管道的断裂控制设计

    天然气长输管道在施工及运行过程中不可避免地存在各种各样的缺陷。管道在运行过程中，由于疲劳作用等影响，管道中的缺陷可能会发生稳定扩展；当稳定扩展发展至一定程度时，缺陷将由表面裂纹变成透壁缺陷，造成管道泄漏；当透壁缺陷继续沿长度方向稳态扩展并达到临界值时，缺陷便开始失稳扩展，导致管道发生破裂，这一时刻称为起裂。输气管道一旦发生起裂，管道将沿着与最大主应力垂直的方向，向两侧扩展。扩展以两种形式发生，一种是脆性断裂，另一种是延性断裂。中俄东线天然气管道因工程特殊性，其断裂控制设计是难点，中国石油管道局工程有限公司针对改问题展开系列研究。
    首先，结合断裂失效模式，明确了该工程断裂失效的控制原则，主要包括以下3个方面：①钢管管体及焊缝、管道环焊缝应具有足够的韧性以保证管道在使用条件下的裂纹容限；②如果管道发生破裂，其断裂性质应为延性，不允许发生脆性破坏；③管道结构应该具有足够的能力吸收断裂能量，以保证对延性裂纹扩展的止裂。因此，此项工程环焊缝应考虑在最苛刻设计工况下不发生起裂，在满足管道运行期安全的基础上，还应考虑管道低温施工要求。
    研究人员根据中俄东线管输天然气组份、管道壁厚、流变应力、运行温度及管沟回填等参数，采用断裂力学理论及相关模型计算了钢管焊缝和热影响区的起裂韧性、钢管管体止裂韧性以及环焊缝的起裂韧性，制定了中俄管道的钢管和环焊缝韧性指标。同时，基于中俄东线OD 1 422 mm管道断裂控制需求韧性指标计算，统筹考虑目前中国相关标准的要求及管厂和焊接的实物水平，同时参考了国外相关标准和工程实例（表1、表2）。对于不同的管道壁厚，根据计算得到的起裂断裂和止裂韧性均不同，考虑到生产实物水平和便于采办等因素，壁厚25.7 mm和30.8 mm的钢管最小夏比冲击功要求一致，不再细分。因此，要求管体焊缝及热影响区最小夏比冲击功单值为60 J，3个试样均值为80 J，以便与中石油天然气气与管道分公司现行的《天然气管道工程用直缝埋弧焊钢管通用技术条件》保持一致。

钢级	位置	壁厚/mm	最小夏比冲击功/J		最小剪切面积百分比%		试验温度/℃
			单值	三个试样均值	单值	3个试样 均值
X80M	管体横向	21.4	185	245	70	85	－10
		25.7 30.8	140	180	70	85	－10
	焊缝及热影响区	－	60	80	－	－	－10

钢级	壁厚/mm	DWTT最小剪切面积百分比%			试验温度/℃
		单值		2个试样均值
X80M	21.4 25.7 30.8	70	85		－5（最低设计温度）

    因此，针对工程具体情况，为了有效控制管道断裂，对工程用管和环焊缝提出如下规定：①为了防止管道脆性断裂，在最低设计温度－5 ℃的试验温度下，钢管管体的DWTT试验最小剪切面积，单值为70％，2个试样均值为85％；②为了防止管道起裂，在－10 ℃试验温度下，焊缝及热影响区最小夏比冲击功单值为60 J，3 个试样均值为80 J；③考虑到止裂要求，在－10 ℃试验温度下，21.4 mm壁厚钢管管体的最小夏比冲击功单值为185 J，3个试样均值为245 J；25.7 mm、30.8 mm壁厚钢管管体的最小夏比冲击功单值为140 J，3个试样均值为180 J。3种壁厚钢管的夏比冲击最小剪切面积单值为70％，均值为85％；④为了防止环焊缝起裂，－10 ℃冲击试验温度下，环焊缝每组3个试样的平均夏比冲击功值应不小于50 J，单个试样的最小值应不小于38 J。
    此外，对比工程推荐采用的指标，该断裂韧性推荐指标在符合计算需求量的基础上，均有一定的裕量，能够满足管道的断裂控制要求。同时为了确保管道吊装下沟时环焊缝安全，对管道的韧脆转变温度和下沟温度下限值提出了建议。