[发明专利]一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法

说明书

本发明公开了一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度Vsubgt;f/subgt;；改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度Vsubgt;min/subgt;；判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；止裂器材质、DWTT剪切面积要求、间隙度选择；钢套筒止裂器厚度计算；止裂器长度计算。本发明提出了一种用于X80/X90输气管道的钢套筒止裂器设计方法，经此方法设计的钢套筒止裂器通过全尺寸气体爆破试验验证，可以实现高速扩展裂纹的止裂功能。

技术领域

本发明属于天然气输送管道断裂控制技术领域，具体涉及一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法。

背景技术

天然气是一种清洁能源，也是一种易燃、易爆的危险介质，通常采用管道运输。管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、腐蚀、疲劳、外部机械损伤等，易于造成管道开裂、泄漏等事故发生。输气管道一旦开裂，管内高压气体并不能立刻排空，而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度，裂纹尖端就会保持持续的高应力状态，裂纹也会持续的高速扩展，进而导致输气管道延性裂纹的长程扩展。高压天然气管道中裂纹的长程扩展会造成巨大的灾难和损失，因此必须保证管道一旦开裂后能够及时止裂。现有的全尺寸气体爆破试验结果表明：对于高钢级管道，其难以依靠自身韧性进行止裂，这已经成为严重威胁管道安全并制约高钢级管线钢应用的瓶颈问题。

当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时，需采用一些外部机械装置，通过施加外部约束来预防、阻止管道中延性裂纹的长程扩展。止裂过程涉及到裂纹的高速动态扩展、天然气减压波、管道自身阻力以及止裂器外部约束的交互作用，无论有限元计算还是全尺寸爆破试验验证都非常复杂，目前国内外没有公认的公式/方法/标准可用于高钢级输气管道外部止裂器的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，可用于阻止高钢级管线钢管道延性裂纹的长程扩展。

本发明采用以下技术方案：

一种用于高钢级输气管道的钢套筒止裂器设计方法，包括以下步骤：

S1、根据管线技术指标计算管道服役条件下的减压波曲线与材料阻力曲线，通过减压波曲线和材料阻力曲线计算工况条件下管道的断裂速度V_f；

S2、改变材料阻力曲线中的断裂阻力f，通过减压波曲线与材料阻力曲线的切点计算得到管道止裂时的最小断裂速度V_min；

S3、判断当前钢套筒止裂器设计方法是否适用；

S4、止裂器材质、DWTT剪切面积要求、间隙度选择；

S5、钢套筒止裂器厚度计算；

S6、止裂器长度计算。

更进一步的，本发明的特点还在于：步骤S1中，管道的断裂速度V_f为减压波曲线与材料阻力曲线的交点速度。

其中，减压波曲线采用BWRS/GEGR08气体状态方程计算，输入的参数包括温度、压力、各天然气组分摩尔百分比，输出为减压波曲线；

材料阻力曲线计算如下：

其中，σ_flow为钢管流变应力，t为钢管壁厚，D为钢管直径，E为钢管弹性模量，R_CVN为钢管单位面积的夏比冲击功，P_a为止裂压力，V_c为裂纹扩展速度。