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

全尺寸實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用昂貴，周期長。實(shí)驗(yàn)過程中要求系統(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。國內(nèi)做過水壓爆破實(shí)驗(yàn)，高壓輸氣管道實(shí)驗(yàn)尚無先例。目前已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源有意大利CSM的鋼制管道實(shí)驗(yàn)、美國西南研究院的PE管道實(shí)驗(yàn)、加拿大一美國聯(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)行條件下的管線止裂所需的韌性。斷裂擴(kuò)展速率在低韌性的起裂管開裂后測量。

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)分為地上管線和埋地管線兩種。由于按照原來的止裂預(yù)測方法己經(jīng)不能保證現(xiàn)代高強(qiáng)度高韌性管線的延性斷裂止裂性能，20世紀(jì)80年代美國天然氣協(xié)會(huì)AGA委托包括美國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延性斷裂長程擴(kuò)展的方法。

歐洲管線研究組織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年開始對高韌性的管線鋼管進(jìn)行了大量的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，并于1995年公布了高強(qiáng)度管線鋼止裂韌性推薦值，1996年制定的ISO 2183-3管線鋼管技術(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的雙曲線法對實(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)對全尺寸實(shí)驗(yàn)測試情況進(jìn)行說明，其中真實(shí)斷裂速度與CVN韌性止裂預(yù)測是本文重點(diǎn)關(guān)注的對象。

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2627km，從加拿大的British Columbia到美國的Illinois，計(jì)劃2000年投入運(yùn)營。該管道設(shè)計(jì)輸送能力為每天375×10⁵m³，主干線設(shè)計(jì)最大輸送壓力為12MPa，管徑9l4mm；支線管徑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)管段全長約366m，中間為9根11m長的實(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雙曲線法預(yù)測的止裂韌性數(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	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。

通過炸藥爆破法，裂紋穿過1E和1W中間環(huán)裂縫，并在鋼管頂端開始擴(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，裂紋沿軸向直線擴(kuò)展，在樣管1E中，裂紋沿軸向直線擴(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，裂紋穿過環(huán)焊縫直接進(jìn)入2W樣管中繼續(xù)直線擴(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X70，操作壓力12MPa，實(shí)驗(yàn)溫度16.5℃。通過雙曲線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)展長度為33.6m。由于1W和1E沖擊功低于預(yù)測的止裂沖擊韌性，因而裂紋均沿1W和lE軸向直線擴(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，裂紋直線擴(kuò)展約4.5m后開始轉(zhuǎn)彎沿螺旋線擴(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后也開始轉(zhuǎn)向沿螺旋線擴(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X70，操作壓力12MPa，實(shí)驗(yàn)溫度16.5℃。通過雙曲線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)展長度為33.6m。由于1W和1E沖擊功低于預(yù)測的止裂沖擊韌性，因而裂紋均沿1W和lE軸向直線擴(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，裂紋直線擴(kuò)展約4.5m后開始轉(zhuǎn)彎沿螺旋線擴(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后也開始轉(zhuǎn)向沿螺旋線擴(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，根據(jù)Maxey雙曲線法做出了止裂韌性的預(yù)測。在考慮Leis修正(3-9式）的基礎(chǔ)上，該預(yù)測與實(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A1、A2、A3、Bl、B2)，兩次在BGC（英國天然氣公司，British Gas CoMPany，編號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)號為S3、S2、S1和Nl、N2、N3。在裂紋擴(kuò)展期間，測量了裂紋擴(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，是為了研究兩根全長范圍內(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)，長度較長（約16m)，以減輕起裂過程對實(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應(yīng)的夏比沖擊功C_KV、標(biāo)準(zhǔn)DWTT功D_S和預(yù)開裂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	實(shí)驗(yàn)溫度	類目	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  速度觀測結(jié)果

在全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)中，可以根據(jù)記時(shí)線記錄的數(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。

從圖中可以看到，在裂紋長度不超過三倍管道直徑的超始擴(kuò)展階段，因鋼管內(nèi)的氣壓來不及釋放而裂紋加速較快；

在裂紋擴(kuò)展長度相當(dāng)于第四個(gè)管道直徑長度的范圍內(nèi)，鋼管裂口張開，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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