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3.2.2  全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)（Full-Scale Burst Test）簡(jiǎn)介

全尺寸實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用昂貴，周期長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求系統(tǒng)地變化壓力、管徑、壁厚、強(qiáng)度以及韌性等變量，因此實(shí)驗(yàn)操作難度大，重復(fù)次數(shù)多。國(guó)內(nèi)做過(guò)水壓爆破實(shí)驗(yàn)，高壓輸氣管道實(shí)驗(yàn)尚無(wú)先例。目前已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源有意大利CSM的鋼制管道實(shí)驗(yàn)、美國(guó)西南研究院的PE管道實(shí)驗(yàn)、加拿大一美國(guó)聯(lián)盟管道實(shí)驗(yàn)和日本HLP組織實(shí)驗(yàn)。

全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)一般設(shè)有一根有預(yù)制裂紋的低韌性鋼管在管段中部作為起裂管，兩側(cè)焊接鋼管的韌性沿裂紋擴(kuò)展方向遞增排列。裂紋從起裂管向兩側(cè)擴(kuò)展，停止擴(kuò)展部位的鋼管韌性就是設(shè)定運(yùn)行條件下的管線(xiàn)止裂所需的韌性。斷裂擴(kuò)展速率在低韌性的起裂管開(kāi)裂后測(cè)量。

全尺寸實(shí)驗(yàn)使用甲烷、空氣或者氦氣作為壓力介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)分為地上管線(xiàn)和埋地管線(xiàn)兩種。由于按照原來(lái)的止裂預(yù)測(cè)方法己經(jīng)不能保證現(xiàn)代高強(qiáng)度高韌性管線(xiàn)的延性斷裂止裂性能，20世紀(jì)80年代美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)AGA委托包括美國(guó)SwRI和意大利CSM在內(nèi)的多家機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作研究，試圖得到一種理論上可靠，實(shí)驗(yàn)證明可行的防止管線(xiàn)延性斷裂長(zhǎng)程擴(kuò)展的方法。

歐洲管線(xiàn)研究組織EPRG也在20世紀(jì)70年代進(jìn)行的實(shí)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上從1983年開(kāi)始對(duì)高韌性的管線(xiàn)鋼管進(jìn)行了大量的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，并于1995年公布了高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼止裂韌性推薦值，1996年制定的ISO 2183-3管線(xiàn)鋼管技術(shù)條件采用了EPRG的推薦值。1985年日本幾大鋼鐵公司聯(lián)合進(jìn)行了一次較大規(guī)模的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，基于Maxey的雙曲線(xiàn)法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了有價(jià)值的結(jié)論。

下面結(jié)合兩次大規(guī)模全尺寸實(shí)驗(yàn)寶貴的完整數(shù)據(jù)對(duì)全尺寸實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況進(jìn)行說(shuō)明，其中真實(shí)斷裂速度與CVN韌性止裂預(yù)測(cè)是本文重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

3.2.1.1  北美聯(lián)盟管道全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)

北美聯(lián)盟管道總投資30億美元，由6家公司合資興建，全長(zhǎng)2627km，從加拿大的British Columbia到美國(guó)的Illinois，計(jì)劃2000年投入運(yùn)營(yíng)。該管道設(shè)計(jì)輸送能力為每天375×10⁵m³，主干線(xiàn)設(shè)計(jì)最大輸送壓力為12MPa，管徑9l4mm；支線(xiàn)管徑1067mm，最大設(shè)計(jì)壓力為8.274MPa。

聯(lián)盟管道的設(shè)計(jì)在幾個(gè)方面都創(chuàng)造了新的世界水平：

高韌性管線(xiàn)鋼管——CVN沖擊韌性高于217J；

高的操作壓力——最大操作壓力12MPa；

富氣輸送——含15%乙烷，3%丙烷，天然氣最大熱值為44.2MJ/m³。

為了驗(yàn)證聯(lián)盟管道Φ914和Φ1067鋼管的止裂韌性，進(jìn)行了兩組全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)管段全長(zhǎng)約366m，中間為9根11m長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)樣管，爆破實(shí)驗(yàn)時(shí)裂紋將在其中進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)樣管沿東西方向分別標(biāo)為1E、2E以及1W、2W等，預(yù)制裂紋穿過(guò)1E和1W之間的環(huán)焊縫。第一次實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖3-5所示。

表3-l給出了各實(shí)驗(yàn)管段的標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊功以及按照實(shí)驗(yàn)工況用Maxey雙曲線(xiàn)法預(yù)測(cè)的止裂韌性數(shù)值。

表3-l聯(lián)盟管道爆破實(shí)驗(yàn)夏比沖擊能量數(shù)值（單位：J)

鋼管編號(hào)	第一次實(shí)驗(yàn)				第二次實(shí)驗(yàn)
	2W	1W	1E	2E	2W	1W	1E	2E
鋼管東端沖擊功	237	178	185	231	217	184	203	247
鋼管西端沖擊功	253	181	184	223	223	204	185	226
預(yù)測(cè)止裂沖擊功	195				223

第一次爆破實(shí)驗(yàn)采用Φ914鋼管，壁厚14.2mm，鋼級(jí)X70，操作壓力12MPa,實(shí)驗(yàn)溫度23.8℃，天然氣熱值為44.6MJ/m³。

通過(guò)炸藥爆破法，裂紋穿過(guò)1E和1W中間環(huán)裂縫，并在鋼管頂端開(kāi)始擴(kuò)展。第一次爆破實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)斷口均為韌性斷裂，在樣管1W中，裂紋沿軸向直線(xiàn)擴(kuò)展，在樣管1E中，裂紋沿軸向直線(xiàn)擴(kuò)展將近鋼管末端時(shí)，其擴(kuò)展方向稍有傾斜，但在1W和1E中均未發(fā)生止裂。在1W樣管的末端，裂紋穿過(guò)環(huán)焊縫直接進(jìn)入2W樣管中繼續(xù)直線(xiàn)擴(kuò)展約2m后轉(zhuǎn)向并繞鋼管環(huán)向擴(kuò)展一圈后止裂，環(huán)向的一圈裂紋將實(shí)驗(yàn)管線(xiàn)分割成東西兩部分。在1E樣管的東端，在距離1E、2E環(huán)焊縫0.5m的地方，裂紋由軸向直線(xiàn)擴(kuò)展轉(zhuǎn)化為撕裂型剪斷擴(kuò)展，隨后擴(kuò)展進(jìn)入2E樣管（螺旋縫焊管）中，呈螺旋線(xiàn)沿2E樣管向前擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向垂直于樣管的螺旋焊縫，在裂紋螺旋狀前進(jìn)約4.25圈后止裂。

第二次爆破實(shí)驗(yàn)是為了模擬Φ1067鋼管的止裂過(guò)程，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不到位，最終仍采用功914鋼管，壁厚14.2mm，鋼級(jí)X70，操作壓力12MPa，實(shí)驗(yàn)溫度16.5℃。通過(guò)雙曲線(xiàn)法判定止裂韌性與試圖模擬的鋼管相同。

實(shí)驗(yàn)二的斷口均為剪切斷裂，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為33.6m。由于1W和1E沖擊功低于預(yù)測(cè)的止裂沖擊韌性，因而裂紋均沿1W和lE軸向直線(xiàn)擴(kuò)展并分別進(jìn)入2W和2E樣管，最后在2W和2E樣管中止裂，如圖3-6所示。

在2E樣管中，裂紋直線(xiàn)擴(kuò)展約4.5m后開(kāi)始轉(zhuǎn)彎沿螺旋線(xiàn)擴(kuò)展。當(dāng)遇到直焊縫后又產(chǎn)生一個(gè)二次裂紋，二次裂紋沿直焊縫擴(kuò)展約1m后也開(kāi)始轉(zhuǎn)向沿螺旋線(xiàn)擴(kuò)展。當(dāng)主裂紋第二次遇到直焊縫時(shí)，先沿直焊縫擴(kuò)展lm多長(zhǎng)然后轉(zhuǎn)向擴(kuò)展并隨即止裂。

第二次爆破實(shí)驗(yàn)是為了模擬Φ1067鋼管的止裂過(guò)程，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不到位，最終仍采用功914鋼管，壁厚14.2mm，鋼級(jí)X70，操作壓力12MPa，實(shí)驗(yàn)溫度16.5℃。通過(guò)雙曲線(xiàn)法判定止裂韌性與試圖模擬的鋼管相同。

實(shí)驗(yàn)二的斷口均為剪切斷裂，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為33.6m。由于1W和1E沖擊功低于預(yù)測(cè)的止裂沖擊韌性，因而裂紋均沿1W和lE軸向直線(xiàn)擴(kuò)展并分別進(jìn)入2W和2E樣管，最后在2W和2E樣管中止裂，如圖3-6所示。

在2E樣管中，裂紋直線(xiàn)擴(kuò)展約4.5m后開(kāi)始轉(zhuǎn)彎沿螺旋線(xiàn)擴(kuò)展。當(dāng)遇到直焊縫后又產(chǎn)生一個(gè)二次裂紋，二次裂紋沿直焊縫擴(kuò)展約1m后也開(kāi)始轉(zhuǎn)向沿螺旋線(xiàn)擴(kuò)展。當(dāng)主裂紋第二次遇到直焊縫時(shí)，先沿直焊縫擴(kuò)展lm多長(zhǎng)然后轉(zhuǎn)向擴(kuò)展并隨即止裂。

斷裂擴(kuò)展全程將壓力傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)與上述斷裂擴(kuò)展速度繪制成壓力一速度曲線(xiàn)，根據(jù)Maxey雙曲線(xiàn)法做出了止裂韌性的預(yù)測(cè)。在考慮Leis修正(3-9式）的基礎(chǔ)上，該預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

3.2.1.2  日本HLP組織實(shí)驗(yàn)

1978年，日本鋼鐵學(xué)會(huì)（ISIJ）成立了高強(qiáng)度輸送管HLP(High-strength Line Pipe）專(zhuān)業(yè)研究委員會(huì)。該組織在1978-1983年間進(jìn)行了七次全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)，其中五次在Kamaishi（釜石，編號(hào)A1、A2、A3、Bl、B2)，兩次在BGC（英國(guó)天然氣公司，British Gas CoMPany，編號(hào)Cl、C2）。

實(shí)驗(yàn)材料是經(jīng)控軋（Controlled-Rolled）或調(diào)質(zhì)（Quenched and Tempered)工藝制造的APIX70管，直徑1219mm，壁厚18.3mm。A和B系列實(shí)驗(yàn)采用空氣作為壓縮氣體，實(shí)驗(yàn)溫度在3℃到12℃之間。C系列實(shí)驗(yàn)采用天然氣（富氣）,實(shí)驗(yàn)溫度為-5℃。實(shí)驗(yàn)用管道氣壓除C2外均為11.6MPa,C2采用10.4MPa。

每段鋼管長(zhǎng)約10m，每組實(shí)驗(yàn)采用7段管材環(huán)縫焊接，并在每端焊上壁厚為26.67mm的蓄氣管，全長(zhǎng)約150m。實(shí)驗(yàn)管段置于地下l.3m深處，除蓄氣管外的部分回填上砂子。實(shí)驗(yàn)外觀形貌如圖3-7所示。

裂紋的爆破源是一條500mm長(zhǎng)沿軸向切割的穿透裂紋，設(shè)置在裂紋起始管CIP(Crack Initial Pipe）的中心，兩側(cè)管段按南北方向分別標(biāo)號(hào)為S3、S2、S1和Nl、N2、N3。在裂紋擴(kuò)展期間，測(cè)量了裂紋擴(kuò)展速率、壓力降低和應(yīng)變變化。

實(shí)驗(yàn)采用了大量不同韌性的鋼管，按照一定的順序排列。

A系列實(shí)驗(yàn)中，裂紋沿夏比沖擊能量CKV值約為50J的起裂管CIP，依次穿過(guò)韌性值遞增排列的鋼管。各管段的大致韌性值是在每次爆破實(shí)驗(yàn)后經(jīng)過(guò)精心研究確定的。A3中Sl到S2是唯一的例外；

B系列實(shí)驗(yàn)中，起裂管兩側(cè)同一方向的管段韌性值大致相同，是為了研究?jī)筛�全長(zhǎng)范圍內(nèi)具有相同CKV值的管子的裂紋擴(kuò)展行為，兩側(cè)夏比沖擊功預(yù)設(shè)為120J和150J。另外，B系列實(shí)驗(yàn)中起裂管CIP的韌性較高（C_KV約90J)，長(zhǎng)度較長(zhǎng)（約16m)，以減輕起裂過(guò)程對(duì)實(shí)驗(yàn)段的影響；

在C系列實(shí)驗(yàn)中，因壓縮氣體為多種成份的天然氣，在開(kāi)裂減壓時(shí)將引起相變，阻礙了氣體的逸出，使止裂變得困難，因而普遍選用了高韌性鋼管。

管道排列順序和各段對(duì)應(yīng)的夏比沖擊功C_KV、標(biāo)準(zhǔn)DWTT功D_S和預(yù)開(kāi)裂DWTT功D_P如表3-2所示。

表3-2日本HLP管道爆破實(shí)驗(yàn)各段CVN與DWTT吸收功（單位：J）

實(shí)驗(yàn)號(hào)	實(shí)驗(yàn)溫度	類(lèi)目	S3	S2	S1	CIP		N1	N2	N3
						S	N
A1	+12	材質(zhì)	控軋	控軋	控軋	控軋		調(diào)質(zhì)	調(diào)質(zhì)	—
		CKV	202	140	83	51		92	188	—
		DS	7050	7920	5230	2650		4510	8820	—
		DP	4210	5120	3590	2070		3160	4610	—
A2	+3	材質(zhì)	控軋	控軋	控軋	控軋		控軋	控軋	控軋
		CKV	196	139	119	45		108	169	275
		DS	6760	6170	5980	2760		6250	9090	1077
		DP	4210	3850	3790	2270		4200	4580	582
A3	+8	材質(zhì)	控軋	控軋	控軋	控軋		調(diào)質(zhì)	調(diào)質(zhì)	控軋
		CKV	209	103	127	51		122	153	202
		DS	5120	4430	6270	2530		424	758	8820
		DP	3650	3110	4150	1940		3310	4490	4660
B1	+6	材質(zhì)	—	控軋	控軋	控軋	控軋	控軋	控軋	—
		CKV	—	126	124	76	79	155	156	—
		DS	—	5170	6040	4080	4200	7350	7460	—
		DP	—	4250	4230	3030	3180	4430	4470	—
B2	+12	材質(zhì)	—	控軋	控軋	控軋	控軋	調(diào)質(zhì)	調(diào)質(zhì)	—
		CKV	—	145	118	93	99	125	129	—
		DS	—	7350	4840	5340	4800	5560	5660	—
		DP	—	4270	3390	3430	3320	4200	4020	—
C1	-5	CKV	341	260	244	203		208	206	324
		DP	—	—	—	3990		—	—	—
C2	-5	CKV	—	—	338	186		232	237	—
		DP	—	—	—	5180		—	—	—

在全部七次HLP實(shí)驗(yàn)中，裂紋擴(kuò)展與止裂的情況如圖3-8所示。

在圖3-8的所有實(shí)驗(yàn)中，裂紋以全延性方式向?qū)嶒?yàn)管兩端呈軸向擴(kuò)展，并突然轉(zhuǎn)向周向，隨即止裂。這表明管道本身的韌性導(dǎo)致止裂。

3.2.3  速度觀測(cè)結(jié)果

在全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)中，可以根據(jù)記時(shí)線(xiàn)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算裂紋沿鋼管軸向的擴(kuò)展速度。圖3-9和3-10分別在聯(lián)盟管道第一次和第二次實(shí)驗(yàn)的斷裂速度曲線(xiàn)。

從圖中可以看到，在裂紋長(zhǎng)度不超過(guò)三倍管道直徑的超始擴(kuò)展階段，因鋼管內(nèi)的氣壓來(lái)不及釋放而裂紋加速較快；

在裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度相當(dāng)于第四個(gè)管道直徑長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，鋼管裂口張開(kāi)，氣體壓力迅速衰減，直至與裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到平衡，此階段斷裂速度先升后降；

隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，擴(kuò)展過(guò)程的參數(shù)包括裂紋擴(kuò)展速度以及裂紋尖端的應(yīng)力取決于鋼管的斷裂韌性。

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