一种高压输气管线止裂预测方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压输气管线止裂预测方法，属于天然气输送管道输送【技术领域】，具体包括利用管道钢管的规格参数、钢级和最大设计输送压力，获取管道的复合参数临界值，并通过计算获得预测输气管道的复合参数，将复合参数于复合参数临界值进行比较，进而现实对管道钢管能否达到止裂要求进行预测，该方法超由于综合考虑了钢管的多项参数，使得对高钢级管道钢管止裂韧性的预测准确、可靠，避免了材料强度和韧性交互作用的影响，提高了管道的输送效率，降低建设成本，保障了他人生命财产的安全。
【专利说明】一种高压输气管线止裂预测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于天然气输送管道输送【技术领域】，涉及天燃气管道裂纹扩展止裂预测方法和指标，具体涉及一种高压输气管线止裂预测方法。
【背景技术】
[0002]高压大流量长距离输送是我国天然气输送管道技术发展趋势，提高管道材料的强度不仅能增加管道输量并可以显著降低输送成本，提高管道用钢管的钢级带来的钢管壁厚的减小还可以节省管材采购成本，在管线的口径和压力确定后，钢级每提高一个等级，可以减少用钢量约8%?12%。为进一步提高输送效率和降低建设成本，管道研究和建设领域将目光投向了 X90/X100超高强度管线钢。
[0003]断裂是承压管道常见的失效模式，尤其是管道裂纹的长程扩展往往会造成灾难性的后果。为确保管道运行安全，如何确定合理的钢管止裂韧性指标使得裂纹在一定长度内止裂一直是管道断裂控制研究领域的热点和难点。API 5L和ISO 3183规定了确定钢管延性断裂止裂CVN冲击功值的5种方法，包括方法I “EPRG(欧洲钢管研究机构)准则”、方法2 “BattelIe简化公式”、方法3 “BattelIe双曲线法”、方法4 “AISI法”和方法5 “全尺寸爆破试验”。对于较低钢级(X80以下)钢管，这五种方法都是适用的；对于X80钢级钢管，要参考实物爆破实验数据进行修正才能使用。而对于X90\X100超高强度管线钢管，国外研究机构通过多次XlOO钢管全尺寸爆破试验认为，以上5种方法预测的夏比冲击韧性不能准确反映XlOO钢管断裂的止裂能力，因此，现有的这些方法对于X90/X100钢级的止裂预测是不可靠的。
[0004]现有技术存在的主要问题:1)仅以材料夏比冲击韧性指标预测超高钢级(X90、X100)管道钢管止裂韧性；2)未考虑材料强度和韧性交互作用的影响；3)对超高钢级(X90、X100)管道钢管止裂韧性的预测不准确、不可靠。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种高压输气管线止裂预测方法。
[0006]为达到以上目的，本发明的技术方案如下:
[0007]—种高压输气管线止裂预测方法，包括以下步骤:
[0008]I)根据高压输气管道设计要求，确定高压输气管的规格参数和最大设计输送压力P0;所述高压输气管的规格参数包括:高压输气管外径和高压输气管壁厚；
[0009]2)根据最大设计输送压力P。和高压输气管的规格参数，获得高压输气管的最大设计操作应力σ。；
[0010]3)根据最大设计操作应力σ。以及高压输气管标准规定最小屈服强度σ BYS，获得管道的应力设计系数DF;
[0011]4)测量待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能和屈服强度；
[0012]5)根据管道的应力设计系数，获得止裂所需复合参数临界值M ;根据待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能和屈服强度，获得待预测高压输气管的复合参数M'；
[0013]6)当复合参数M'大于复合参数临界值M时，高压输气管能够达到止裂要求；当复合参数M'小于等于复合参数临界值M时，则不能止裂。
[0014]所述管道最大设计操作应力σ。= PJ)/2t，其中，P。是高压输气管最大设计输送压力，D是高压输气管外径，t是高压输气管壁厚。
[0015]所述管道的应力设计系数DF= 0。/0.，其中，Omsys是标准规定最小屈服强度。
[0016]获得止裂所需复合参数临界值M:
[0017]M = 5.8563 X 1(Γ14 X eDF/a 0314+0.00592 X eDF/L 11218+0.00967。
[0018]所述复合参数M' = CVN172/ σ s
[0019]其中，CVN是夏比V性缺口冲击吸收能，σ s是屈服强度。
[0020]一种高压输气管线止裂预测方法，包括以下步骤:
[0021]I)根据高压输气管道设计要求，确定高压输气管的规格参数、钢级和最大设计输送压力；所述高压输气管的规格参数包括:高压输气管外径和高压输气管壁厚；
[0022]2)根据最大设计输送压力P。和高压输气管的规格参数，获得高压输气管的最大设计操作应力σ。；
[0023]3)根据最大设计操作应力σ。以及钢管标准规定屈服强度σ BYS，获得管道的应力设计系数DF;
[0024]4)获取高压输气管标准给定的屈服强度σ s波动范围，并测量待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN'；
[0025]5)根据管道的应力设计系数，获得止裂所需复合参数临界值M ;根据复合参数临界值M以及高压输气管标准给定的屈服强度波动范围计算标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN范围；
[0026]6)当待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN'落入标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN范围时，管道钢管能够达到止裂要求；否则不能止裂。
[0027]所述管道最大设计操作应力σ。= PJ)/2t，其中，P。是高压输气管最大设计输送压力，D是高压输气管外径，t是高压输气管壁厚。
[0028]所述管道的应力设计系数DF= 0。/0.，其中，Omsys是标准规定最小屈服强度。
[0029]获得止裂所需复合参数临界值M:
[0030]M = 5.8563 X 1(Γ14 X eDF/0.0314+0.00592 X eDF/1.11218+0.00967。
[0031]所述标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN范围为:
[0032]CVN= (MX σ s)2。
[0033]与现有技术比较，本发明的有益效果为:
[0034]本发明提供了高压输气管线止裂预测方法，利用管道钢管的规格参数、钢级和最大设计输送压力，获取管道的复合参数临界值，并通过计算获得预测输气管道的复合参数，将复合参数于复合参数临界值进行比较，进而现实对管道钢管能否达到止裂要求进行预测，该方法超由于综合考虑了钢管的多项参数，使得对高钢级管道钢管止裂韧性的预测准确、可靠，避免了材料强度和韧性交互作用的影响，提高了管道的输送效率，降低建设成本，保障了他人生命财产的安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1是本发明高压输气管线止裂预测方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0037]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0038]如图1所示，本发明提供了高压输气管线止裂预测方法，包括以下步骤:
[0039]I)根据高压输气管道设计要求，确定高压输气管的规格参数和最大设计输送压力P0;所述高压输气管的规格参数包括:高压输气管外径和高压输气管壁厚；
[0040]2)根据最大设计输送压力P。和高压输气管的规格参数，获得高压输气管的最大设计操作应力σ。；管道最大设计操作应力0c = PjV2t，其中，P。是高压输气管最大设计输送压力，D是高压输气管外径，t是高压输气管壁厚。
[0041]3)根据最大设计操作应力σ。以及高压输气管标准规定最小屈服强度σ BYS，获得管道的应力设计系数DF;管道的应力设计系数DF=。。/Omsys，其中，^msys是标准规定最小屈服强度。
[0042]4)测量待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能和屈服强度；
[0043]5)根据管道的应力设计系数，获得止裂所需复合参数临界值M ;根据待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能和屈服强度，获得待预测高压输气管的复合参数M'，复合参数 W =CVN1/2/os
[0044]其中，CVN是夏比V性缺口冲击吸收能，σ s是屈服强度。
[0045]6)当复合参数M'大于复合参数临界值M时，高压输气管能够达到止裂要求；当复合参数M'小于等于复合参数临界值M时，则不能止裂。
[0046]需要说明的是，本发明主要用于天然气输送管道止裂韧性预测，其前提是钢管产品必须首先满足API 5L或ISO 3183标准规定的基本要求，输送的天然气需满足GB 17820二类气质要求。
[0047]本发明复合参数M = CVN172/ σ s预测的止裂韧性的总体技术思路是:对于满足GB17820 二类气质要求的天然气输送管道，裂纹扩展的驱动力主要来自管道内压，裂纹止裂不单独取决于某一性能指标，应考虑材料强度和韧性的交互影响，钢管止裂韧性的高低是相对于钢管材料强度而言的，钢管强度级别越高，相对的达到相应止裂效果所需的止裂韧性也越高，管道钢管的止裂用包含屈服强度(σ s)和冲击吸收能(CVN)的复合参数M = CVNv2/OS能更好的预测管道钢管裂纹扩展止裂行为。
[0048]另外，本发明还提供了一种高压输气管线止裂预测方法，包括以下步骤:
[0049]I)根据高压输气管道设计要求，确定高压输气管的规格参数、钢级和最大设计输送压力；所述高压输气管的规格参数包括:高压输气管外径和高压输气管壁厚；
[0050]2)根据最大设计输送压力P。和高压输气管的规格参数，获得高压输气管的最大设计操作应力σ。；所述管道最大设计操作应力0c = PjV2t，其中，P。是高压输气管最大设计输送压力，D是高压输气管外径，t是高压输气管壁厚。
[0051]3)根据最大设计操作应力σ。以及钢管标准规定屈服强度σ BYS，获得管道的应力设计系数DF;管道的应力设计系数DF=，其中，Omsys是标准规定最小屈服强度。
[0052]4)获取高压输气管标准给定的屈服强度σ s波动范围，并测量待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN'；
[0053]5)根据管道的应力设计系数，获得止裂所需复合参数临界值M ;根据复合参数临界值M以及高压输气管标准给定的屈服强度波动范围计算标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN范围；获得止裂所需复合参数临界值M:
[0054]M = 5.8563 X 1(Γ14 X eDF/a 0314+0.00592 X eDF/L 11218+0.00967。
[0055]标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN范围为:
[0056]CVN= (MX σ s)2。
[0057]6)当待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN'落入标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能CVN范围时，管道钢管能够达到止裂要求；否则不能止裂。
[0058]也就是说，对于输送满足GB 17820 二类气质要求天然气的管道，在钢管规格尺寸、管道最大设计内压一定的情况下，当复合参数M = CVN"2/ σ s大于预测公式右侧的计算值时，管道钢管可以达到止裂要求，反之，不能止裂。
[0059]下面以具体实验为例进行说明:
[0060]I)给定预测管线钢管的基本参数:钢管钢级、钢管外径和壁厚、标准规定钢管最低屈服强度和屈服强度波动范围、最高设计输送压力。
[0061]钢级:X100;
[0062]管径:1219mm;
[0063]壁厚:14.8mm;
[0064]API 5L标准规定钢管最低屈服强度σ MSYS = 690Mpa ;屈服强度波动范围690Mpa_840Mpa。
[0065]最高设计输送压力:Po = 12MPa
[0066]2)计算管道最大设计操作应力(Mpa)
[0067]O0 = PoD/2t = 12 X 1219/2 X 14.8 = 494Mpa
[0068]3)计算管道的应力设计系数
[0069]DF = ο J ο MSYS = 494/690 = 0.72
[0070]4)复合参数预测公式计算止裂所需复合参数临界值
[0071]M = CVN172/ σ s = 5.8563X l(T14XeDF/0 0314+0.00592XeDF/111218+0.00967 =0.021512
[0072]5)依据钢管产品标准给定的屈服强度波动范围计算满足复合参数临界值要求的夏比V性缺口冲击吸收能CVN值的范围
[0073]屈服强度波动范围690Mpa_840Mpa
[0074]复合参数M = CVN172/ Os^0.021512
[0075]CVN 的范围是 220J-327J
[0076]所计算的最大CVN值既是复合参数CVNv2/ σ 3方法预测的止裂韧性值，所以给定钢管在最大设计压力下裂纹止裂所需的止裂CVN值为327J。
【权利要求】
1.一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)根据高压输气管道设计要求，确定高压输气管的规格参数和最大设计输送压力？。；所述高压输气管的规格参数包括:高压输气管外径和高压输气管壁厚； 2)根据最大设计输送压力？。和高压输气管的规格参数，获得高压输气管的最大设计操作应力0。； 3)根据最大设计操作应力0。以及高压输气管标准规定最小屈服强度0—获得管道的应力设计系数0？； 4)测量待预测高压输气管的夏比卩性缺口冲击吸收能和屈服强度； 5)根据管道的应力设计系数，获得止裂所需复合参数临界值1；根据待预测高压输气管的夏比卩性缺口冲击吸收能和屈服强度，获得待预测高压输气管的复合参数『； 6)当复合参数『大于复合参数临界值1时，高压输气管能够达到止裂要求；当复合参数,小于等于复合参数临界值1时，则不能止裂。
2.根据权利要求1所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，所述管道最大设计操作应力0。= ？。~2仏其中，？。是高压输气管最大设计输送压力，0是高压输气管外径4是高压输气管壁厚。
3.根据权利要求2所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，所述管道的应力设计系数0？二。。/。醫，其中，0 —是标准规定最小屈服强度。
4.根据权利要求3所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，获得止裂所需复合参数临界值1:
I = 5.8563^10^^6^70 031^.00592 X 6^711121^.00967。
5.根据权利要求1所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，所述复合参数 1, = ^172/ 0 , 其中，￠:顆是夏比V性缺口冲击吸收能，0 3是屈服强度。
6.一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)根据高压输气管道设计要求，确定高压输气管的规格参数、钢级和最大设计输送压力；所述高压输气管的规格参数包括:高压输气管外径和高压输气管壁厚； 2)根据最大设计输送压力？。和高压输气管的规格参数，获得高压输气管的最大设计操作应力0。； 3)根据最大设计操作应力0。以及钢管标准规定屈服强度0吣3，获得管道的应力设计系数0？； 4)获取高压输气管标准给定的屈服强度03波动范围，并测量待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能； 5)根据管道的应力设计系数，获得止裂所需复合参数临界值1；根据复合参数临界值I以及高压输气管标准给定的屈服强度波动范围计算标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能范围； 6)当待预测高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能落入标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能范围时，管道钢管能够达到止裂要求；否则不能止裂。
7.根据权利要求6所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，所述管道最大设计操作应力0。= ？。072仏其中，？。是高压输气管最大设计输送压力，0是高压输气管外径4是高压输气管壁厚。
8.根据权利要求7所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，所述管道的应力设计系数0？二。。/。醫，其中，0 —是标准规定最小屈服强度。
9.根据权利要求8所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，获得止裂所需复合参数临界值1:
I = 5.8563^10^^6^70 031^.00592 X 6^711121^.00967。
10.根据权利要求6所述的一种高压输气管线止裂预测方法，其特征在于，所述标准高压输气管的夏比V性缺口冲击吸收能范围为: 圓=〈IX 0广
【文档编号】G06F19/00GK104462828SQ201410766388
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】马秋荣, 霍春勇, 冯耀荣, 李鹤, 李洋 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所