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3.2.2  全尺寸爆破實驗（Full-Scale Burst Test）簡介

全尺寸實驗的費用昂貴，周期長。實驗過程中要求系統(tǒng)地變化壓力、管徑、壁厚、強度以及韌性等變量，因此實驗操作難度大，重復(fù)次數(shù)多。國內(nèi)做過水壓爆破實驗，高壓輸氣管道實驗尚無先例。目前已知的實驗數(shù)據(jù)來源有意大利CSM的鋼制管道實驗、美國西南研究院的PE管道實驗、加拿大一美國聯(lián)盟管道實驗和日本HLP組織實驗。

全尺寸爆破實驗一般設(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展方向遞增排列。裂紋從起裂管向兩側(cè)擴展，停止擴展部位的鋼管韌性就是設(shè)定運行條件下的管線止裂所需的韌性。斷裂擴展速率在低韌性的起裂管開裂后測量。

全尺寸實驗使用甲烷、空氣或者氦氣作為壓力介質(zhì)。實驗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)代高強度高韌性管線的延性斷裂止裂性能，20世紀80年代美國天然氣協(xié)會AGA委托包括美國SwRI和意大利CSM在內(nèi)的多家機構(gòu)進行了合作研究，試圖得到一種理論上可靠，實驗證明可行的防止管線延性斷裂長程擴展的方法。

歐洲管線研究組織EPRG也在20世紀70年代進行的實物實驗的基礎(chǔ)上從1983年開始對高韌性的管線鋼管進行了大量的實物實驗，并于1995年公布了高強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)合進行了一次較大規(guī)模的實物實驗，基于Maxey的雙曲線法對實驗結(jié)果進行了分析，得到了有價值的結(jié)論。

下面結(jié)合兩次大規(guī)模全尺寸實驗寶貴的完整數(shù)據(jù)對全尺寸實驗測試情況進行說明，其中真實斷裂速度與CVN韌性止裂預(yù)測是本文重點關(guān)注的對象。

3.2.1.1  北美聯(lián)盟管道全尺寸爆破實驗

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，計劃2000年投入運營。該管道設(shè)計輸送能力為每天375×10⁵m³，主干線設(shè)計最大輸送壓力為12MPa，管徑9l4mm；支線管徑1067mm，最大設(shè)計壓力為8.274MPa。

聯(lián)盟管道的設(shè)計在幾個方面都創(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。

為了驗證聯(lián)盟管道Φ914和Φ1067鋼管的止裂韌性，進行了兩組全尺寸爆破實驗，實驗管段全長約366m，中間為9根11m長的實驗樣管，爆破實驗時裂紋將在其中進行擴展。實驗樣管沿東西方向分別標為1E、2E以及1W、2W等，預(yù)制裂紋穿過1E和1W之間的環(huán)焊縫。第一次實驗的示意圖如圖3-5所示。

表3-l給出了各實驗管段的標準夏比沖擊功以及按照實驗工況用Maxey雙曲線法預(yù)測的止裂韌性數(shù)值。

表3-l聯(lián)盟管道爆破實驗夏比沖擊能量數(shù)值（單位：J)

鋼管編號	第一次實驗				第二次實驗
	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

第一次爆破實驗采用Φ914鋼管，壁厚14.2mm，鋼級X70，操作壓力12MPa,實驗溫度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展。第一次爆破實驗中實驗斷口均為韌性斷裂，在樣管1W中，裂紋沿軸向直線擴展，在樣管1E中，裂紋沿軸向直線擴展將近鋼管末端時，其擴展方向稍有傾斜，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)焊縫直接進入2W樣管中繼續(xù)直線擴展約2m后轉(zhuǎn)向并繞鋼管環(huán)向擴展一圈后止裂，環(huán)向的一圈裂紋將實驗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，裂紋由軸向直線擴展轉(zhuǎn)化為撕裂型剪斷擴展，隨后擴展進入2E樣管（螺旋縫焊管）中，呈螺旋線沿2E樣管向前擴展，裂紋擴展方向垂直于樣管的螺旋焊縫，在裂紋螺旋狀前進約4.25圈后止裂。

第二次爆破實驗是為了模擬Φ1067鋼管的止裂過程，由于實驗設(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，實驗溫度16.5℃。通過雙曲線法判定止裂韌性與試圖模擬的鋼管相同。

實驗二的斷口均為剪切斷裂，裂紋擴展長度為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軸向直線擴展并分別進入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，裂紋直線擴展約4.5m后開始轉(zhuǎn)彎沿螺旋線擴展。當遇到直焊縫后又產(chǎn)生一個二次裂紋，二次裂紋沿直焊縫擴展約1m后也開始轉(zhuǎn)向沿螺旋線擴展。當主裂紋第二次遇到直焊縫時，先沿直焊縫擴展lm多長然后轉(zhuǎn)向擴展并隨即止裂。

第二次爆破實驗是為了模擬Φ1067鋼管的止裂過程，由于實驗設(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，實驗溫度16.5℃。通過雙曲線法判定止裂韌性與試圖模擬的鋼管相同。

實驗二的斷口均為剪切斷裂，裂紋擴展長度為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軸向直線擴展并分別進入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，裂紋直線擴展約4.5m后開始轉(zhuǎn)彎沿螺旋線擴展。當遇到直焊縫后又產(chǎn)生一個二次裂紋，二次裂紋沿直焊縫擴展約1m后也開始轉(zhuǎn)向沿螺旋線擴展。當主裂紋第二次遇到直焊縫時，先沿直焊縫擴展lm多長然后轉(zhuǎn)向擴展并隨即止裂。

斷裂擴展全程將壓力傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)與上述斷裂擴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)測與實驗結(jié)果吻合良好。

3.2.1.2  日本HLP組織實驗

1978年，日本鋼鐵學會（ISIJ）成立了高強度輸送管HLP(High-strength Line Pipe）專業(yè)研究委員會。該組織在1978-1983年間進行了七次全尺寸爆破實驗，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）。

實驗材料是經(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系列實驗采用空氣作為壓縮氣體，實驗溫度在3℃到12℃之間。C系列實驗采用天然氣（富氣）,實驗溫度為-5℃。實驗用管道氣壓除C2外均為11.6MPa,C2采用10.4MPa。

每段鋼管長約10m，每組實驗采用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。實驗管段置于地下l.3m深處，除蓄氣管外的部分回填上砂子。實驗外觀形貌如圖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號為S3、S2、S1和Nl、N2、N3。在裂紋擴展期間，測量了裂紋擴展速率、壓力降低和應(yīng)變變化。

實驗采用了大量不同韌性的鋼管，按照一定的順序排列。

A系列實驗中，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驗后經(jīng)過精心研究確定的。A3中Sl到S2是唯一的例外；

B系列實驗中，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系列實驗中起裂管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驗段的影響；

在C系列實驗中，因壓縮氣體為多種成份的天然氣，在開裂減壓時將引起相變，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、標準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管道爆破實驗各段CVN與DWTT吸收功（單位：J）

實驗號	實驗溫度	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實驗中，裂紋擴展與止裂的情況如圖3-8所示。

在圖3-8的所有實驗中，裂紋以全延性方式向?qū)嶒灩軆啥顺瘦S向擴展，并突然轉(zhuǎn)向周向，隨即止裂。這表明管道本身的韌性導致止裂。

3.2.3  速度觀測結(jié)果

在全尺寸爆破實驗中，可以根據(jù)記時線記錄的數(shù)據(jù)計算裂紋沿鋼管軸向的擴展速度。圖3-9和3-10分別在聯(lián)盟管道第一次和第二次實驗的斷裂速度曲線。

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；

在裂紋擴展長度相當于第四個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，直至與裂紋擴展速度達到平衡，此階段斷裂速度先升后降；

隨著裂紋的進一步擴展，擴展過程的參數(shù)包括裂紋擴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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