输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置的制造方法
【专利说明】输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置 【技术领域】
[0001]本实用新型属于爆炸切割领域，涉及一种用于输气钢管切割的装置，具体是一种 输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置。 【【背景技术】】
[0002] 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 程开裂将造成巨大灾难和损失，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。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。目前正在积极研发X90、 X100等高级别管线钢的工程应用问题。
[0003] 随着管线钢的钢级、管径和设计系数不断提高，高压天然气管道一般呈延性断裂 特征。管材的止裂韧性是材料抵抗延性裂纹扩展能力的度量，需合理预测和规定管线钢的 韧性指标。一旦管道发生了延性断裂，材料本身的止裂能力能够将断裂的长度控制在一定 范围内。所谓恰当地规定管道的止裂韧性要求，是指材料所具有的韧性，既能最大限度地容 忍初始缺陷，又能在延性断裂裂纹萌生后止裂，同时又能满足批量生产管材的经济性要求。
[0004] 对于天然气管线的母材止裂韧性要求值，国际上进行了大量的研究，得到了许多 止裂韧性预测方法。但对现代高强高韧管线钢管(X80及以上），已有的止裂预测方法存在局 限性，已经不能正确反映这种高强韧性材料的止裂性能，因此全尺寸气体爆破试验成为确 定管线钢止裂韧性最为可靠的方法。
[0005] 输气钢管全尺寸气体爆破试验基本原理是，在试验段中间放置低韧性钢管作为启 裂管，启裂管两侧排列试验管，常采取韧性由低到高的方式排列，也可采取等韧性方式排 列，通过线性聚能切割装置在启裂管引入初始裂纹进行试验研究。试验过程中通过专用仪 器采集所有信号，并进行数据处理和分析。
[0006]线性聚能切割装置，也称为聚能装药，药型罩呈楔形，是利用聚能装药原理制成的 一种带有金属药型罩的线性装药。其原理是：当炸药爆炸后，药型罩受到炸药爆炸后所形成 高温高压的爆轰产物的作用时，其内壁的金属在对称平面挤出一块向装药底部高速运动的 金属射流，与目标发生作用并对其进行切割。聚能爆炸切割技术具有高速、高效、操作方便 且不受环境限制等优点。线性聚能切割装置主要应用于民用爆破、拆弹、切割以及军事和航 天领域。现今对聚能切割技术的研究已经趋于成熟，一般是根据工程需要设计制造出恰当 的线型聚能切割器。在使用中，将线型聚能切割器安放在目标物体上，以用于切割。 【【实用新型内容】】
[0007]本实用新型的目的在于解决上述现有技术的问题，提供一种输气钢管全尺寸气体 爆破试验用聚能切割装置，该装置主要应用于输气钢管全尺寸气体爆破试验，将其安放在 启裂钢管上方中心部位，引入一定长度的贯穿钢管壁厚的裂纹，保证全尺寸气体爆破试验 顺利实施。
[0008] 为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
[0009] 输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，包括外壳，外壳的底部设置锥形 的药型罩;外壳和药型罩所围成的内腔为用于安放炸药的炸药仓，炸药仓的截面为倒V型； 所述药型罩的壁厚小于外壳的壁厚;药型罩顶端的锥角为40°~110°;外壳上方中心处安装 用于起爆的电雷管，并通过远程遥控引爆;外壳通过卡具安装在被切割目标上。
[0010] 本实用新型进一步的改进在于：
[0011]所述外壳的厚度为2mm，药型罩的厚度为1.5mm。
[0012]所述外壳和药型罩均由紫铜制成。
[0013] 所述药型罩的锥角为100°。
[0014] 所述外壳的长度为500mm。
[0015] 所述炸药仓中填充的炸药量为100g~300g，装药线密度为300g/m。
[0016] 所述药型罩的底面与被切割目标之间的间隙为4~8_。
[0017] 所述外壳的底部两端呈水平设置。
[0018] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0019] 本实用新型输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，以实现在全尺寸气体 爆破试验的启裂钢管上方中心部位引入一定长度的贯穿型初始裂纹，保证全尺寸气体爆破 试验顺利实施。使用时，将本实用新型的线型聚能切割装置安放在到启裂钢管上，采用线起 爆方式，通过远程遥控电雷管引爆。本实用新型设计的聚能切割装置安全性较好，切割效率 较高。本实用新型适用于16.3mm厚的X80-X100管线钢，确保在全尺寸气体爆破试验的启裂 钢管上方中心部位引入长为500mm的贯穿型初始裂纹。引入的贯穿型初始裂纹尖端比较尖 锐，裂纹宽度比较窄，不超过1〇_。
[0020] 进一步的，本实用新型外壳厚度比药型罩的厚度大，能够形成温度的射流，增加炸 药冲击压力的作用时间。
[0021] 进一步的，本实用新型药型罩的锥角选用合适的100°，聚能角度合适，射流破甲性 能稳定，能够增加破甲深度。
[0022]进一步的，本实用新型外壳长度选择500mm，能够在钢管上切割500mm长的贯穿型 初始裂纹，裂纹尖端尖锐，裂纹宽度较窄，不超过l〇mm，完全适用于壁厚为16.3mm的X80- XI00管线钢的爆破试验用。
[0023] 进一步的，本实用新型底部两端呈水平，这样便于切割装置在管线上的安放，中间 空隙便于装药。 【【附图说明】
】
[0024] 图1为本实用新型的截面图。
[0025]其中：1为外壳;2为炸药仓;3为药型罩。 【【具体实施方式】】
[0026] 下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
[0027] 参见图1，本实用新型主要包含三部分:外壳1，炸药仓2和药型罩3,外壳和药型罩 均采用紫铜，外壳厚度为2mm，药型罩厚度为1.5mm。外壳厚度比药型罩的厚度大，这样可增 加炸药冲击压力的作用时间；药型罩锥角α为40~110° ;聚能切割装置长度为500mm;炸药采 用耐热高爆速的黑索今(RDX)和少量TNT(TNT的含量不超过5%)，炸药量为150g，其体积小， 携带方便，耐热且爆炸速度高，切割效率和效果较好。炸高范围为2~8mm;采用中间线起爆， 通过遥控的方式，将电雷管引爆。本实用新型底部两端呈水平，便于切割装置在管线上的安 放，中间空隙便于装药。本实用新型可实现在壁厚为16.3mm的高级别管线钢(X80-X100)上 引入500mm长的贯穿型初始裂纹，裂纹尖端尖锐，裂纹宽度较窄，不超过10mm。本实用新型在 管线钢上方中间部位，电雷管安放在线性聚能切割装置上方中间部位，通过遥控方式引爆， 安全性较好。
[0028]本实用新型的原理：
[0029] 大部分输气管线是埋藏于地下，长期受到土壤介质的侵蚀作用，导致输气钢管上 产生一些微裂纹等缺陷。当裂纹尺寸小于临界裂纹尺寸时，裂纹不会发生扩展；只有当裂纹 尺寸大于临界裂纹尺寸时，裂纹才会发生扩展。
[0030] 管线上临界裂纹尺寸计算公式如下：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，r为管线钢的外半径，t为管线钢的壁厚，p为管线钢的运行压力，(^为管线钢 的流变应力，〇11为管线钢的环向应力，(^为管线钢的屈服强度，C为裂纹长度的一半，MT为鼓 胀因子。
[0037] 表1为贯穿型裂纹临界尺寸(2C)理论计算结果，对于不同级别的管线钢，其贯穿型 裂纹临界尺寸一般都在300mm以下，采用线性聚能切割装置引入500mm长的贯穿型初始裂纹 完全能够满足试验需要。
[0038] 表1贯穿型裂纹临界尺寸(2C)理论计算结果
[0039]
[0040]
[0041] 针对壁厚为16.3mm的X80-X100管线钢，线性聚能切割装置的主要参数如下：
[0042] (1)外壳与药型罩:聚能切割器的壳体不仅为炸药和药型罩提供保护作用，而且壳 体质量可增加炸药冲击压力的作用时间，从而增加传递给药型罩的总能量，对射流的侵彻 能力起着积极的作用。外壳与药型罩的材料特性对聚能射流的形成和运动有直接的影响。 应选用熔点高、密度大、动态塑性好和延性好的材料制造。本实用新型采用紫铜作为制作外 壳和药型罩的材料。紫铜具有优异的物理和化学性质，有良好的加工性能、导热性、延展性 和耐蚀性。
[0043] (2)外壳与药型罩的厚度:罩体太薄，射流质量小，不稳定，甚至不能形成射流;罩 体太厚，罩体在被压垮变形时吸收的能量较大，使射流速度变小。本实用新型的外壳厚度为 2_，药型罩厚度为1.5_。外壳厚度比药型罩的厚度大，这样可增加炸药冲击压力的作用时 间。
[0044] (3)药型罩的锥角α :锥角α太小，则聚能角度太小，射流破甲性能很不稳定;破甲性 能很不稳定;锥角α太大，则金属射流形成和运行过程中发生变化，破甲深度减小。药型罩的 锥角α通常是40~110°，本实用新型的药型罩的锥角α为100°。
[0045] (4)线性聚能切割装置的长度:为保证全尺寸气体爆破试验顺利实施，需在启裂钢 管上方中心部位通过线性聚能切割装置引入一定长度的贯穿型初始裂纹。全尺寸气体爆破 试验需要引入500mm长的贯穿型初始裂纹，本实用新型的线性聚能切割装置长度为500mm。
[0046] (5)炸药:炸药是聚能破甲的能源，炸药爆炸后把能量传递给药型罩，药型罩在轴 线方向闭合形成射流，对目标进行侵彻切割。而炸药的爆压是影响破甲深度的最主要因素， 爆压主要是由爆炸速度和密度决定，并存在以下关系：
[0047]
[0048]式中:P为装药密度，D为爆炸速度。
[0049] 适合聚能装药的炸药，应满足以下条件：
[0050] 1)有良好的工艺性能和较低的机械感度；
[0051] 2)有较高的爆压和爆速；
[0052] 3)有较好的安全性能。如不分解放出腐蚀气体，不吸湿等。
[0053]本实用新型采用装药密度较小的黑索今(RDX)和少量三硝基甲苯(TNT)作为聚能 装药，TNT的含量不超过5%。黑索金又名为旋风炸药，化学式(CH2NN02)3,无色晶体，熔点为 200°C，是一种爆炸力很强的环状硝基，而且起爆容易，耐热，高爆速，是综合性极佳的炸药。 炸药量通常为100-300g，本实用新型所用的炸药为150g，装药线密度为300g/m本实用新型 的炸药的爆炸速度达到7800m/s。
[0054] (6)炸高:是指聚能炸药包的底部（即药型罩底面)与被切割目标之间的间隙。一方 面随着炸高的增加，能使射流拉长，从而提高穿孔和切割深度;另一方面，随着炸高的增加， 射流会产生径向分散和断裂趋势，使穿孔深度降低。每种聚能切割装置都有一个最佳炸高。 本实用新型的线性聚能切割装置炸高的范围为6±2_。
[0055] (7)启爆方式:聚能切割装置的起爆方式主要有三种，线起爆、端部点起爆、端部面 起爆。本实用新型将线性聚能切割装置安放在启裂管上方中心部位，1发8号电雷管安放在 聚能切割装置上方中心部位，采用中间点起爆方式，通过远程遥控引爆。
[0056] 实施例：
[0057] 2014年10月27日，管研院输送管与安全评价研究所和有关单位合作在江苏省东台 市成功进行了 X90直缝埋弧焊钢管的单管全尺寸气体爆破实验。这是国内首次进行的大口 径输送钢管全尺寸气体爆破实验。试验钢管外径为1219mm，长度为12m，壁厚为16.3mm。试验 压力为12MPa，加压介质为空气。
[0058] 全尺寸气体爆破试验是将线性聚能切割装置安放在钢管上方中心部位，采用遥控 电雷管引爆。使用时，将本实用新型的线型聚能切割装置安放到启裂钢管上，电雷管安放在 线性聚能切割装置上方中间部位，通过遥控方式引爆，安全性较好。引入的贯穿型初始裂纹 符合试验技术要求，初始裂纹长为500mm，裂纹尖端比较尖锐，裂纹宽度比较窄，不超过 1〇_。引入的初始裂纹在管线钢上迅速扩展，最终导致输气钢管表现为长程延性断裂特征。
[0059] 以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范 围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实 用新型权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1. 输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，其特征在于，包括外壳（1)，外壳（1) 的底部设置锥形的药型罩(3)，外壳（1)的底部两端呈水平设置;外壳（1)和药型罩(3)所围 成的内腔为用于安放炸药的炸药仓(2)，炸药仓(2)的截面为倒V型;所述药型罩(3)的壁厚 小于外壳（1)的壁厚;药型罩(3)顶端的锥角为40°~110°，药型罩(3)的底面与被切割目标 之间的间隙为4~8mm;外壳（1)上方中心处安装用于起爆的电雷管，并通过远程遥控引爆； 外壳(1)通过卡具安装在被切割目标上，外壳(1)的厚度为2_，药型罩(3)的厚度为1.5_。2. 根据权利要求1所述的输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，其特征在于， 所述外壳(1)和药型罩(3)均由紫铜制成。3. 根据权利要求1所述的输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，其特征在于， 所述药型罩(3)的锥角为100°。4. 根据权利要求1所述的输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，其特征在于， 所述外壳（1)的长度为500mm。5. 根据权利要求1所述的输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，其特征在于， 所述炸药仓中填充的炸药量为l〇〇g~300g，装药线密度为300g/m。
【专利摘要】本实用新型公开了一种输气钢管全尺寸气体爆破试验用聚能切割装置，包括外壳，外壳的底部设置锥形的药型罩；外壳和药型罩所围成的内腔为用于安放炸药的炸药仓，炸药仓的截面为倒V型；所述药型罩的壁厚小于外壳的壁厚；药型罩顶端的锥角为40°～110°；外壳上方中心处安装用于起爆的电雷管，并通过远程遥控引爆；外壳通过卡具安装在被切割目标上。本实用新型安放在到启裂钢管上，采用线起爆方式，通过远程遥控电雷管引爆。本实用新型设计的聚能切割装置安全性较好，切割效率较高。本实用新型适用于16.3mm厚的X80-X100管线钢，确保在全尺寸气体爆破试验的启裂钢管上方中心部位引入长为500mm的贯穿型初始裂纹。引入的贯穿型初始裂纹尖端比较尖锐，裂纹宽度比较窄，不超过10mm。
【IPC分类】F42B3/00, F42D3/00, B21D28/00
【公开号】CN205383947
【申请号】CN201521047621
【发明人】吉玲康, 胡美娟, 李鹤, 闵希华, 刘剑, 黄忠胜, 张伟卫, 杨坤, 池强, 李炎华
【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
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2015年12月15日