石油化工行業(yè)的油管、套管、輸送管和非標(biāo)大型機(jī)械產(chǎn)品，為什么一定要做全尺寸實(shí)物評價試驗(yàn)？全尺寸實(shí)物評價試驗(yàn)的重要性在哪？我們可以看一下俄羅斯巴甫年科沃—烏恰管道全尺寸爆破試驗(yàn)這個案例。

大管徑超大輸量的代表性管道

巴甫年科沃—烏恰（Bovanenkovo-Ukhta）管道是大管徑超大輸量的代表性管道。俄羅斯西北部的亞馬爾半島擁有極為豐富的天然氣資源。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司（Gazprom）正在亞馬爾打造一個全新的天然氣生產(chǎn)中心，使其在發(fā)展天然氣工業(yè)方面發(fā)揮重要作用。巴甫年科沃斯科耶氣田是亞馬爾目前最大的天然氣生產(chǎn)氣田。巴甫年科沃—烏恰天然氣管道旨在將亞馬爾半島的天然氣輸送到俄羅斯統(tǒng)一的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)。

巴甫年科沃—烏恰管道長度為1106km，包括2條Φ1420mm管道，并行敷設(shè)，設(shè)計壓力11.8MPa，在俄羅斯首次采用類似于X80的K65鋼級。單管設(shè)計輸量為580億m3/a，兩條管道總設(shè)計輸量1150億m3/a。管道全線有四分之三的管段穿越永凍土地區(qū)，為保護(hù)環(huán)境，防止凍土融化和保證管道穩(wěn)定運(yùn)行，采取低溫輸送措施，在某些壓氣站壓縮機(jī)出口設(shè)置冷卻裝置，確保出站溫度不高于-2℃；對于穿越永凍土區(qū)的管道設(shè)置200mm厚保溫層。干線管道外防腐采用3層PE，補(bǔ)口采用熱收縮套，內(nèi)涂減阻涂層。

巴甫年科沃—烏恰管道用鋼管的典型化學(xué)成分

為了實(shí)現(xiàn)單管輸量達(dá)到580億m3/a的目標(biāo)，巴甫年科沃—烏恰管道采取了一系列技術(shù)措施。除了采用Φ1420mm的最大管徑外，還采用了11.8MPa的輸送壓力，而此前俄羅斯輸氣管道國家標(biāo)準(zhǔn)的最高壓力為9.8MPa。為此，俄羅斯天然氣工業(yè)公司理事會于2008年7月1日批準(zhǔn)了《巴甫年科沃—烏恰天然氣長輸管道用鋼管技術(shù)要求》，據(jù)此制定了ТУ4-156-82—2009《工作壓力為11.8MPa天然氣干線長輸管道用的管徑1420mm、強(qiáng)度等級為K65的直縫電焊鋼管技術(shù)規(guī)范》，作為鋼管研發(fā)、制造和驗(yàn)收的依據(jù)。其中規(guī)定鋼管的壁厚為23.0mm、27.7mm、33.4mm，要求鋼管在-20℃的DWTT剪切面積平均值≥85%，這對于板材和管材的試制顯然是極為困難的。

根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范，日本、韓國和德國、俄羅斯的鋼鐵公司試制了三種厚度的K65管線鋼板材，歐洲鋼管公司、日本和俄羅斯的鋼管廠試制了該管道所用的K65鋼級Φ1420mm鋼管，鋼管的典型化學(xué)成分見表3。俄羅斯的伏爾加鋼管廠也曾采用鋼板試制了壁厚27.7mm的K65鋼級Φ1420mm螺旋鋼管，但未獲應(yīng)用。因此，該管道全部采用的是直縫埋弧焊管。

由俄羅斯天然氣科學(xué)研究院主導(dǎo)，對試制的鋼管進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。包括工廠試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)和全尺寸爆破試驗(yàn)。其中的工廠試驗(yàn)對管材金屬的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能及焊接性能進(jìn)行了綜合評估，并進(jìn)行了單管的全尺寸水壓試驗(yàn)。

全尺寸爆破試驗(yàn)

高壓、大管徑和低溫環(huán)境使得巴甫年科沃—烏恰管道首先面臨著斷裂控制方案制定的難題。其中的關(guān)鍵問題是延性斷裂擴(kuò)展的控制，由于其工況均為世界天然氣管道參數(shù)的極限值，無法通過計算方法獲得延性斷裂的止裂韌性，只能通過全尺寸爆破試驗(yàn)確定。為了確定管道的止裂韌性要求，在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克市的試驗(yàn)場進(jìn)行了17次全尺寸氣體爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)次數(shù)如此之多，主要是俄方對各廠家提供的多種壁厚的鋼管都進(jìn)行了測試，除了希望獲得止裂韌性要求之外，還要了解不同廠家多種壁厚管線鋼的全尺寸斷裂行為，研究包括斷口分離在內(nèi)的管線鋼組織對斷裂行為的影響。如果只是要得出止裂韌性，只需對最小壁厚的鋼管進(jìn)行爆破試驗(yàn)即可。

巴甫年科沃—烏恰管道項(xiàng)目一次成功止裂的爆破試驗(yàn)

在俄方的試驗(yàn)方案設(shè)計中，試驗(yàn)段由中間一根起裂管、兩側(cè)各三根試驗(yàn)管和外側(cè)各一段70m長儲氣管段組成。主要采集的數(shù)據(jù)包括裂紋長度、裂紋擴(kuò)展速度等。由于不是采用天然氣而是采用空氣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，采用了不高于-20℃的試驗(yàn)溫度，以及相當(dāng)于1.25～1.5倍工作壓力的試驗(yàn)壓力，以期抵消采用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)的影響，從而獲得較為保守的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中一次成功止裂的情況如上圖所示，典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表。

巴甫年科沃—烏恰管道全尺寸爆破試驗(yàn)的典型數(shù)據(jù)

最終確定的主要力學(xué)性能

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了所建立的對小批試制鋼管的技術(shù)要求的有效性，從而制定了鋼管的最終技術(shù)規(guī)范要求，從2010年12月1日開始生效。該規(guī)范要求鋼管在-40℃的夏比沖擊韌性≥250J/cm2，相當(dāng)于10mm×10mm全尺寸夏比沖擊能量為200J。對脆性斷裂控制的要求是-20℃的DWTT剪切面積平均值≥85%。這些指標(biāo)無疑是代表了當(dāng)代超大輸量天然氣管道的最高水平。主要力學(xué)性能要求詳見表5。其相應(yīng)的引用檢驗(yàn)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均采用俄羅斯GOST標(biāo)準(zhǔn)體系的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
 

♦♦♦♦♦

西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司檢驗(yàn)中心擁有600T和2000T的復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)、上卸扣試驗(yàn)機(jī)、擠毀/爆破試驗(yàn)機(jī)、輸送管爆破試驗(yàn)機(jī)、輸送管爆破試驗(yàn)機(jī)、溫度循環(huán)試驗(yàn)機(jī)、膠塞高溫壓力試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，可依據(jù)ISO 13679、SY/T 6128、SY/T 6238.1、API Spec 5L等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行油管、套管、輸送管、膠塞或非標(biāo)大型機(jī)械產(chǎn)品的全尺寸實(shí)物評價試驗(yàn)。

主要項(xiàng)目包括：

上卸扣試驗(yàn)、封堵管端靜水壓至失效試驗(yàn)、封堵管端靜水壓試驗(yàn)、壓縮至失效試驗(yàn)、拉伸至失效試驗(yàn)、低內(nèi)壓拉伸至失效試驗(yàn)、高內(nèi)壓拉伸至失效試驗(yàn)、拉伸/壓縮和內(nèi)壓/外壓載荷試驗(yàn)、拉伸/壓縮和內(nèi)壓、彎曲載荷試驗(yàn)、拉伸和內(nèi)壓條件下的熱循環(huán)試驗(yàn)、高溫下拉伸、壓縮復(fù)合試驗(yàn)、拉、壓條件下氣密封試驗(yàn)、彎曲條件下氣體內(nèi)壓加拉伸氣密封試驗(yàn)、純外壓擠毀試驗(yàn)、拉、壓條件下擠毀試驗(yàn)、氣密封內(nèi)壓循環(huán)試驗(yàn)（最終試驗(yàn)）、爆破試驗(yàn)、高溫壓力試驗(yàn)等，