一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度Vf；改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度Vmin；判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；止裂器材质、DWTT剪切面积要求、间隙度选择；钢套筒止裂器厚度计算；止裂器长度计算。本发明专利技术提出了一种用于X80/X90输气管道的钢套筒止裂器设计方法，经此方法设计的钢套筒止裂器通过全尺寸气体爆破试验验证，可以实现高速扩展裂纹的止裂功能。

Design method of steel sleeve crack arrester for high-grade gas pipeline

【技术实现步骤摘要】
一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法
本专利技术属于天然气输送管道断裂控制
，具体涉及一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法。
技术介绍
天然气是一种清洁能源，也是一种易燃、易爆的危险介质，通常采用管道运输。管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、腐蚀、疲劳、外部机械损伤等，易于造成管道开裂、泄漏等事故发生。输气管道一旦开裂，管内高压气体并不能立刻排空，而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度，裂纹尖端就会保持持续的高应力状态，裂纹也会持续的高速扩展，进而导致输气管道延性裂纹的长程扩展。高压天然气管道中裂纹的长程扩展会造成巨大的灾难和损失，因此必须保证管道一旦开裂后能够及时止裂。现有的全尺寸气体爆破试验结果表明：对于高钢级管道，其难以依靠自身韧性进行止裂，这已经成为严重威胁管道安全并制约高钢级管线钢应用的瓶颈问题。当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时，需采用一些外部机械装置，通过施加外部约束来预防、阻止管道中延性裂纹的长程扩展。止裂过程涉及到裂纹的高速动态扩展、天然气减压波、管道自身阻力以及止裂器外部约束的交互作用，无论有限元计算还是全尺寸爆破试验验证都非常复杂，目前国内外没有公认的公式/方法/标准可用于高钢级输气管道外部止裂器的设计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，可用于阻止高钢级管线钢管道延性裂纹的长程扩展。本专利技术采用以下技术方案：一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，包括以下步骤：S1、根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度Vf；S2、改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度Vmin；S3、判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；S4、止裂器材质、DWTT剪切面积要求、间隙度选择；S5、钢套筒止裂器厚度计算；S6、止裂器长度计算。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S1中，管道的断裂速度Vf为减压波曲线与材料阻力曲线的交点速度。其中，减压波曲线采用BWRS/GEGR08气体状态方程计算，输入的参数包括温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为减压波曲线；材料阻力曲线计算如下：其中，σflow为钢管流变应力，t为钢管壁厚，D为钢管直径，E为钢管弹性模量，R为钢管单位面积的夏比冲击功，Pa为止裂压力，Vc为裂纹扩展速度。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S2中，当材料阻力曲线与减压波曲线相切时的断裂速度即为管道止裂时的最小断裂速度Vmin。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S3中，管道断裂速度Vf小于最大断裂速度Vmax。其中，最大断裂速度Vmax计算如下：其中，Cr为钢管与止裂器的缝隙宽度；R为主管线钢管半径。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S4中，选用与主管线相同钢级材料制作钢套筒止裂器；钢套筒止裂器在主管线设计温度下的DWTT剪切面积≥50％；选用与主管线之间间隙度为零的止裂器。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S5中，钢套筒止裂器的厚度计算如下：其中，tarr钢套筒止裂器厚度；tpipe主管线钢管厚度；σupipe主管线钢管抗拉强度；σuarr钢套筒止裂器抗拉强度。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S6中，钢套筒止裂器的长度计算如下：其中，Vmin为最小断裂速度，即裂纹止裂时的临界速度；Vf'为对管道断裂速度Vf修正后的断裂速度，修正后的断裂速度更加保守；D为主管线钢管直径；M为止裂/扩展边界线斜率。其中，止裂/扩展边界线斜率M由下式计算：对管道断裂速度Vf进行修正得到修正后的断裂速度V'f，对于X90管线：在1.2Vf≥310m/s的情况下，V'f＝1.2Vf；在1.2Vf<310m/s的情况下，V'f＝310m/s；对于X80管线：在1.2Vf≥270m/s的情况下，V'f＝1.2Vf；在1.2Vf<270m/s的情况下，V'f＝270m/s。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，裂纹扩展的驱动力为裂纹尖端气体压力(即气体减压波)，裂纹扩展的阻力为管道材料本身的断裂阻力。当裂纹扩展驱动力(裂纹尖端气体压力)大于裂纹扩展阻力(钢管自身韧性)时，裂纹将加速扩展。当裂纹扩展驱动力等于裂纹扩展阻力时，裂纹将稳态扩展。当裂纹扩展的驱动力小于裂纹扩展阻力时，裂纹将止裂。裂纹长程扩展是一个非常复杂的力学问题，涉及很多力学参数(如管体应变、裂纹尖端张开角等)。本专利技术将裂纹扩展过程中的各种参数简化为断裂速度这一简单参数，通过裂纹扩展阻力曲线和减压波曲线计算得到裂纹扩展速度Vf和止裂情况下的临界断裂速度Vmin。将Vf和Vmin这两个基本参量代入本专利技术创造得到的经验公式，可计算得到止裂器设计的关键参数。同时对止裂器的材质、剪切面积和间隙度进行了规定，保证止裂器的经济性和有效性，简化了止裂器设计过程。进一步的，根据现有理论计算得到了实际管道的断裂速度Vf，为止裂器的设计提供关键参数。进一步的，减压波曲线和材料阻力曲线计算均为现有成熟计算方法，本专利技术需要使用这两条曲线来计算管道实际断裂速度Vf及止裂时的临界断裂速度Vmin。进一步的，根据现有理论计算得到了止裂情况下的临界断裂速度Vmin，为止裂器的设计提供关键参数。进一步的，当管道的实际断裂速度高于边界条件速度Vmax时，由于裂纹扩展速度太高，钢套筒止裂器无法实现止裂功能。边界条件速度Vmax为通过系列X80/X90全尺寸爆破试验得到。进一步的，当钢套筒止裂器材质与主管道一致时，钢套筒止裂器具有和主管道一致的弹性模量，可以协同变形，具有良好的止裂效果。50％的止裂器剪切面积要求，可以保证止裂器不发生脆性断裂。同时，当止裂器与主管道间隙度为0时，止裂器与主管道紧密贴合，止裂效果最好。进一步的，当止裂器材质和间隙度确定后，止裂器设计中最关键的两个参数就是止裂器的厚度和长度。止裂器存在一个最佳厚度，当止裂器厚度达不到要求时，没有止裂效果。当止裂器厚度超过最佳厚度时，止裂能力不会进一步提高，还会造成材料的浪费，本专利技术通过计算得到了止裂器的最佳厚度。进一步的，当止裂器材质和间隙度确定后，止裂器设计中最关键的两个参数就是止裂器的厚度和长度。理论上，止裂器越长越好，但是随着止裂器长度的增加，成本也会增加。本专利技术确定了止裂器的最优长度，可以保证对高速扩展的裂纹进行止裂，同时控制了制造成本。进一步的，根据开展的全尺寸爆破试验结果，裂纹扩展速度越高，越难于止裂。同时管道的钢级越高，裂纹扩展速度越高，越难于止裂。对于X90管道，裂纹稳态扩展速度通常在150m/s～258m/s之间，按照1.2倍安全裕量设计，及1.2Vf计算(Vf取最高值258m/s)，得到的断裂速度为310m/s。按照310m/s断裂速度计算得到的止裂器长度可以保证止裂。在极端情况下，当裂纹扩展速度Vf超过258m/s时，按照实际Vf的1.2倍进行取值，可以保证止裂效果及经济性。对于X80管道，裂纹稳态扩展速度通常在150m/s～22本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度Vf；S2、改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度Vmin；S3、判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；S4、止裂器材质、DWTT剪切面积要求、间隙度选择；S5、钢套筒止裂器厚度计算；S6、止裂器长度计算。

【技术特征摘要】
1.一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度Vf；S2、改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度Vmin；S3、判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；S4、止裂器材质、DWTT剪切面积要求、间隙度选择；S5、钢套筒止裂器厚度计算；S6、止裂器长度计算。2.根据权利要求1所述的用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，其特征在于，步骤S1中，管道的断裂速度Vf为减压波曲线与材料阻力曲线的交点速度。3.根据权利要求2所述的用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，其特征在于，减压波曲线采用BWRS/GEGR08气体状态方程计算，输入的参数包括温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为减压波曲线；材料阻力曲线计算如下：其中，σflow为钢管流变应力，t为钢管壁厚，D为钢管直径，E为钢管弹性模量，R为钢管单位面积的夏比冲击功，Pa为止裂压力，Vc为裂纹扩展速度。4.根据权利要求1所述的用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，其特征在于，步骤S2中，当材料阻力曲线与减压波曲线相切时的断裂速度即为管道止裂时的最小断裂速度Vmin。5.根据权利要求1所述的用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，其特征在于，步骤S3中，管道断裂速度Vf小于最大断裂速度Vmax。6.根据权利要求5所述的用于高钢级输气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹤，胡美娟，杨坤，庞艳凤，冯义军，张伟卫，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11