确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，包括：试验钢管、线性聚能切割器、试验管沟、低液体温槽9和数据采集系统；所述的试验钢管两端焊接有堵头，试验钢管上包裹保温材料；线性聚能切割器安装试验钢管上表面中间位置；试验钢管放置于试验管沟中间；低液体温槽9放置于试验管沟上用于给试验钢管注入低温液体；空气压缩机与试验钢管连接用于给试验钢管增压；数据采集系统安装在试验钢管上，数据采集系统包括计时线、温度测量装置、应变片和摄像机。该试验方法简单可行，为实际生产提供准确的数据来源。

Test device and method for determining minimum shear area required for crack arrest of gas pipeline

The invention discloses an experimental device for determining the minimum shear area required for crack arrest of gas pipeline, which includes: test steel pipe, linear energy accumulator cutter, test pipe trench, low liquid temperature trough 9 and data acquisition system; the two ends of the test steel pipe are welded with plugs, and the test steel pipe is coated with insulation material; the linear energy accumulator cutter installs the middle position of the upper surface of the test steel pipe; Place in the middle of the test pipe groove; low liquid temperature groove 9 is placed on the test pipe groove to inject cryogenic liquid into the test pipe; air compressor is connected with the test pipe to pressurize the test pipe; data acquisition system is installed on the test pipe, and the data acquisition system includes timeline, temperature measuring device, strain gauge and camera. The test method is simple and feasible, and provides accurate data sources for actual production.

【技术实现步骤摘要】
确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置及方法
本专利技术属于天然气输送管道
，涉及一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法。
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，高压天然气管道一旦长程开裂将造成灾巨大难和损失，因此必须保证管道的安全性。为了提高管道运输的经济性，天然气管道的发展趋势是高压、大口径、大壁厚、大输量，采用的钢管也随之向高钢级(高强度级别)方向发展。我国天然气管道用管线钢管近年来发展非常快，X70级别钢管在西气东输一线成功应用，西气东输二线管道工程大规模采用X80级别的钢管。目前我国正在积极研发X90、X100等高级别管线钢的工程应用问题。天然气输送管道钢级、管径、设计系数的提高以及高压富气输送工艺的采用，大大提高了运营效益，同时给管道安全也提出了更高的要求。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两远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度，裂纹尖端就会持续的保持高应力状态，裂纹也会持续高速扩展，容易导致输气管道延性裂纹的长程扩展问题。钢管DWTT断口的剪切面积是评判高钢级管道中高速扩展的裂纹能否止裂的关键技术指标。然而对于高钢级高韧性管线钢而言，DWTT试样常出现异常断口，不能准确反映实际全尺寸管道裂纹扩展过程中的断口形貌，因此需要发展一种简单易行的全尺寸爆破试验技术，来确定高钢级管线钢(X80及以上)不同服役温度下的剪切面积，以及是否能够止裂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置及方法，通过模拟试验来确定高钢级管线钢止裂所需的最小剪切面积。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，包括：试验钢管、线性聚能切割器、试验管沟、低液体温槽、空气压缩机/氮气增压装置和数据采集系统；所述的试验钢管两端焊接有堵头，试验钢管上包裹保温材料；线性聚能切割器安装试验钢管上表面中间位置；试验钢管放置于试验管沟中间；低液体温槽放置于试验管沟上用于给试验钢管注入低温液体；空气压缩机/氮气增压装置与试验钢管连接用于给试验钢管注入气体并增压；数据采集系统安装在试验钢管上，数据采集系统包括计时线、温度测量装置、压力测量装置、应变片和图像获取装置。作为本专利技术的进一步改进，低液体温槽的体积大于钢管体积，低液体温槽为敞口加盖的结构形式，低液体温槽外周包裹保温材料；低液体温槽内设置有温度变送器对低液体温槽温度进行监控。作为本专利技术的进一步改进，线性聚能切割器安装在试验钢管顶部中心位置；线性聚能切割器引入的贯穿型裂纹平行于钢管轴向；线性聚能切割器采用中间起爆的方式进行起爆；线性聚能切割器产生的射流刚好切穿一个钢管壁厚。作为本专利技术的进一步改进，所述的计时线为纱包线，计时线安装在试验钢管的上半个象限，在试验钢管的上半周折回粘结。作为本专利技术的进一步改进，所述的温度测量装置包括用于测量试验钢管内部低温液体温度的第一内部温度传感器，用于测量试验钢管内部气体温度的第二内部温度传感器，及用于测量钢管顶部裂纹扩展路径上的管壁温度的贴片式表面温度传感器。一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法，包括以下步骤：1)试验钢管两端焊接堵头；2)将试验钢管放置于试验管沟中间，试验钢管的直焊缝置于试验管沟底部；3)对试验钢管安装数据采集系统；4)利用空气压缩机对试验钢管进行试压测试；5)对试验钢管及其辅助管路进行保温材料包裹，线性聚能切割器安装位置预留开口；6)将低液体温槽放置于试验管沟上；7)在低液体温槽中首先注入酒精，随后注入液氮进行调温，当低液体温槽中液体温度低于试验温度-10℃～-30℃时停止注氮，得到低温溶液；8)利用低液体温槽与试验钢管的高度差将混合后的低温溶液注入试验钢管；9)低温液体注入后，在试验钢管上表面中间位置安装线性聚能切割器；10)对试验钢管上表面覆盖干冰，并对试验钢管外表面进行隔热层包裹；11)通过空气压缩机将试验钢管增压至实际管线服役压力，并保持；12)通过温度传感器监控管体上表面的温度，当钢管表面温度达到试验温度±℃时，起爆线性聚能切割器用于引入初始裂纹；13)试验全过程通过数据采集系统对温度、压力、断裂速度和应变数据进行采集；14)试验后对断口进行图像获取，并对剪切面积进行评判；15)试验后，建立断裂速度与剪切面积的关系，判断止裂所需最小剪切面积。作为本专利技术的进一步改进，步骤12)中，引入的初始裂纹长度应在400mm以上。作为本专利技术的进一步改进，步骤8)中，首先向试验钢管内注入70％～85％低温液体用以控制试验温度，然后步骤11)注入15％～30％的空气/气化后的低温氮气，并加压至试验压力，用以提供裂纹扩展驱动力。作为本专利技术的进一步改进，步骤12)中，在试验钢管的韧脆转变温度附近选择至少三个试验温度点进行试验，用以确定止裂所需最小剪切面积。作为本专利技术的进一步改进，步骤14)中，当裂纹扩展速度低于100m/s时，确定裂纹能够止裂，此时对应的剪切面积为该温度下输气钢管止裂所需的最小剪切面积。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，通过设置将线性聚能切割器安装试验钢管上表面中间位置，注入低温液体和空气提供足够驱动力来进行仿真模拟，进而通过数据采集系统获取裂纹扩展过程中的各项数据，以最终得到不同温度下钢管止裂所需的最小断口剪切面积。该装置结构简单，组装方便，能够实现全尺寸爆破试验，确定高钢级管线钢止裂所需的最小剪切面积。本专利技术通过在管体中注入液氮和酒精，在钢管整个上表面覆盖干冰，并对整根钢管外表面进行隔热层包裹来实现控制低温试验温度；通过在管体中注入15％～30％空气来为裂纹远距离扩展提供足够驱动力；通过在管体顶部安装线性聚能切割器来引入初始裂纹；同过在管体上安装计时线来测量裂纹扩展速度；通过安装温度传感器来测量裂纹扩展路径上不同区域以及钢管内部的温度。该试验方法简单可行，为实际生产提供准确的数据来源。附图说明图1本专利技术的实验装置结构示意图；图2本专利技术的钢管放置位置；图3本专利技术的线性聚能切割器位置；图4本专利技术的计时线安装方式；图5本专利技术的计时线安装位置；图6本专利技术的应变花安装位置；图7本专利技术的温度变送器安装位置；图8为本专利技术的一实施例X80钢管全尺寸实验结果对比图。其中，1-试验钢管，2-直焊缝，3-线性聚能切割器，4-计时线，5-第一内部温度传感器(测量钢管内部气体温度)，6-第二内部温度传感器(测量钢管内部液体温度)，7-表面温度传感器，8-，空气压缩机/氮气加压装置，9-低温液体槽，10-摄像机。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法，原理为：通过在管体中注入液氮和酒精，在钢管整个上表面覆盖干冰，并对整根钢管外表面进行隔热层包裹来实现控制低温试验温度；通过在管体中注入15％～30％空气来为裂纹远距离扩展提供足够驱动力；通过在管体顶部安装线性聚能切割器来引入初始裂纹；同过在管体上安装计时线来测量裂纹扩展速度；通过安装温度传感器来测量裂纹扩展路径上不同区域以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，其特征在于，包括：试验钢管(1)、线性聚能切割器(3)、试验管沟、低液体温槽(9)、空气压缩机/氮气增压装置(8)和数据采集系统；所述的试验钢管(1)两端焊接有堵头，试验钢管(1)上包裹保温材料；线性聚能切割器(3)安装试验钢管(1)上表面中间位置；试验钢管(1)放置于试验管沟中间；低液体温槽(9)放置于试验管沟上用于给试验钢管(1)注入低温液体；空气压缩机/氮气增压装置(8)与试验钢管(1)连接用于给试验钢管(1)注入气体并增压；数据采集系统安装在试验钢管(1)上，数据采集系统包括计时线(4)、温度测量装置、压力测量装置、应变片和图像获取装置。

【技术特征摘要】
1.一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，其特征在于，包括：试验钢管(1)、线性聚能切割器(3)、试验管沟、低液体温槽(9)、空气压缩机/氮气增压装置(8)和数据采集系统；所述的试验钢管(1)两端焊接有堵头，试验钢管(1)上包裹保温材料；线性聚能切割器(3)安装试验钢管(1)上表面中间位置；试验钢管(1)放置于试验管沟中间；低液体温槽(9)放置于试验管沟上用于给试验钢管(1)注入低温液体；空气压缩机/氮气增压装置(8)与试验钢管(1)连接用于给试验钢管(1)注入气体并增压；数据采集系统安装在试验钢管(1)上，数据采集系统包括计时线(4)、温度测量装置、压力测量装置、应变片和图像获取装置。2.根据权利要求1所述的确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，其特征在于，低液体温槽(9)的体积大于钢管体积，低液体温槽(9)为敞口加盖的结构形式，低液体温槽(9)外周包裹保温材料；低液体温槽(9)内设置有温度变送器对低液体温槽(9)温度进行监控。3.根据权利要求1所述的确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，其特征在于，线性聚能切割器(3)安装在试验钢管(1)顶部中心位置；线性聚能切割器(3)引入的贯穿型裂纹平行于钢管轴向；线性聚能切割器(3)采用中间起爆的方式进行起爆；线性聚能切割器(3)产生的射流刚好切穿一个钢管壁厚。4.根据权利要求1所述的确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，其特征在于，所述的计时线(4)为纱包线，计时线(4)安装在试验钢管(1)的上半个象限，在试验钢管(1)的上半周折回粘结。5.根据权利要求1所述的确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验装置，其特征在于，所述的温度测量装置包括用于测量试验钢管(1)内部低温液体温度的第一内部温度传感器(5)，用于测量试验钢管(1)内部气体温度的第二内部温度传感器(6)，及用于测量钢管顶部裂纹扩展路径上的管壁温度的贴片式表面温度传感器(7)。6.一种确定输气钢管止裂所需最小剪切面积的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：1)试验钢管(1)两端焊接堵头；2)将试验钢管(1)放置于试验管沟中间，试验钢管(1)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹤，封辉，池强，胡美娟，杨坤，杨放，
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