SYT 7318.5-2021 油氣輸送管特殊性能試驗方法 第5部分：全尺寸斷裂阻力試驗-PDF解密

中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準第5部分：全尺寸斷裂阻力試驗Standardtestmethod2021—11-16發(fā)布2022-02—16實施國家能源局發(fā)布I Ⅲ 12規(guī)范性引用文件 1 14符號、代號和縮略語 24.1符號和代號 24.2縮略語 3 35.1試樣長度 35.2穿透型裂紋缺口 35.3表面型裂紋缺口 4 55.5試樣制備 5 56.1測試裝置整體布局 56.2夾式引伸計 56.3直流電勢差裝置 66.4壓力傳感器 76.5熱電偶 7 76.7攝像機 76.8軸向穿透型裂紋試樣直流電勢差裝置及夾式引伸計安裝位置 76.9軸向表面型裂紋試樣直流電勢差裝置及夾式雙引伸計安裝位置 8 87.1試驗過程 87.2試驗溫度 97.3數(shù)據(jù)采集 9 98.1軸向穿透型裂紋整管試驗數(shù)據(jù)處理和分析 98.2軸向表面型裂紋整管試驗數(shù)據(jù)處理和分析 8.3LBB準則評估圖 Ⅱ9試驗報告 附錄A(資料性)缺口處網(wǎng)格 附錄B(資料性)直流電勢差校準曲線 附錄C(規(guī)范性)含軸向穿透型裂紋鋼管J計算方法 附錄D(規(guī)范性)夾式雙引伸計CTOD計算方法 附錄E(規(guī)范性)試驗報告 本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的本文件是SY/T7318《油氣輸送管特殊性能試驗方法》的第5部分。SY/T7318已經(jīng)發(fā)布了以下部分：——第1部分：寬板拉伸試驗；——第2部分：單邊缺口拉伸試驗；——第3部分：全尺寸彎曲試驗；——第4部分：全尺寸氣體爆破試驗。本文件主要起草人：李鶴、封輝、黃呈帥、池強、王為、李群、黃衛(wèi)鋒、孫德鑫、高濤、王俊、SY/T7318《油氣輸送管特殊性能試驗方法》旨在建立適用于油氣管道的非常規(guī)試驗方法，從而將油氣管道特殊性能測試規(guī)范化、標(biāo)準化，擬由九個部分構(gòu)成?！?部分：寬板拉伸試驗。——第2部分：單邊缺口拉伸試驗。——第3部分：全尺寸彎曲試驗?！?部分：全尺寸氣體爆破試驗?！?部分：全尺寸斷裂阻力試驗?！?部分：全尺寸SCC試驗?！?部分：全尺寸拉伸試驗。 第8部分：摻氫管道材料與氫環(huán)境相容性評價，——第9部分：部分氣體爆破試驗。本文件旨在通過含軸向表面型及穿透型裂紋鋼管爆破試驗建立鋼管斷裂阻力曲線及先漏后破準則評估圖，并確定：1)裂紋開始擴展時的臨界裂紋尺寸和起裂壓力；2)裂紋擴展量與壓力的對應(yīng)關(guān)系；3)鋼管失效時的臨界裂紋尺寸和壓力。本文件與SY/T7318《油氣輸送管特殊性能試驗方法》的其他部分同屬于油氣管道特殊性能試驗方法之一。SY/T7318.1是通過較大尺寸試樣來評價焊接接頭性能。SY/T7318.2是通過小尺寸試樣來評價鋼管的斷裂阻力。SY/T7318.3和SY/T7318.4及本文件均是通過整管試驗來評價鋼管性能。其中SY/T7318.3用來評價鋼管的抗彎曲能力，SY/T7318.4用來評價鋼管的止裂性能。本文件與SY/T7318.2存在關(guān)聯(lián)性，分別在不同尺度上來評價鋼管的斷裂阻力。1油氣輸送管特殊性能試驗方法第5部分：全尺寸斷裂阻力試驗本文件規(guī)定了穿透型及表面型裂紋鋼管斷裂阻力試驗的試樣尺寸及制備、測試裝置、試驗方法、下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適GB/T21143金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法SY/T7318.2油氣輸送管特殊性能試驗方法第2部分：單邊缺口拉伸試驗ASTMA370鋼制品力學(xué)性能的標(biāo)準試驗方法和定義(Standardtestmethodsanddefinitionsformechanicaltestingofsteelproducts)ASTME399金屬材料線彈性平面應(yīng)變斷裂韌性的標(biāo)準試驗方法(Standardtestmethodforlinear-elasticplane-strainfracturetoughnessofmetallicmaterials)2圍繞裂紋前緣，從裂紋的一側(cè)表面到另一側(cè)表面的線積分或面積分，用以表征裂紋前緣地區(qū)的應(yīng)裂紋尖端張開位移crack-tipop裂紋擴展阻力曲線crackextensionres起裂壓力pressureofcrackextension試樣中預(yù)制裂紋開始擴展時的壓力。a——裂紋深度，單位為毫米(mm);a——最大壓力時的裂紋深度，單位為毫米(mm);Aa——裂紋沿壁厚方向擴展量，單位為毫米(mm);qo——預(yù)制裂紋半長，單位為毫米；D——試樣外徑，單位為毫米(mm);-—J積分，單位為千焦每平方米(kM——含穿透型裂紋鋼管膨脹因子，無量綱；R:——試樣中的最大壓力，單位為兆帕(MPa);P—試樣中裂紋起始擴展時的壓力，單位為兆帕(MPa);T——試樣溫度，單位為攝氏度(℃);3U——無量綱的電勢差；U——某一時刻電壓探針間的電勢差，單位為毫伏(mV);——起始時刻電壓探針間的電勢差，單位為 裂紋長度參數(shù)，無量綱v——泊松比，無量綱，取值0.3;or——流變應(yīng)力，單位為兆帕(MPa);下列縮略語適用于本文件。CG1:穿透型裂紋端部位置夾式引伸計CG2:穿透型裂紋中間位置夾式引伸計CG4:高夾式引伸計CTOD:裂紋尖端張開位移EP1:穿透型裂紋端部位置電壓探針EP2:穿透型裂紋中間位置電壓探針EP3:表面型裂紋中間位置電壓探針5試樣取整根鋼管作為試樣，試樣長度不小于鋼管公稱外徑的5倍。5.2.4兩側(cè)裂紋尖端應(yīng)銳化，銳化后的裂紋尖端寬度應(yīng)不大于0.2mm,長度應(yīng)不小于5mm,宜采用5.2.5預(yù)制裂紋長度2g?應(yīng)為0.25D～0.5D,宜選擇0.25D、0.38D、0.5D4單位為毫米采用防水膠布，同時采用粘彈體粘貼于防水膠布外周防止泄漏，如圖2所示。單位為毫米5.3.4預(yù)制裂紋長度2c?應(yīng)為0.25D～0.5D,宜選擇0.25D、0.38D、0.5D三個長度。5.3.5預(yù)制裂紋深度a宜在0.4t～0.8t之間選擇。55.4.1試驗前應(yīng)對試樣進行外觀和尺寸(管徑、壁厚、周長等)檢測、無損檢驗，對焊縫進行無損探傷。5.4.2試驗前應(yīng)對試樣進行管體橫向拉伸、系列溫度夏比沖擊試驗、緊湊拉伸和單邊缺口拉伸試驗。通過管體橫向拉伸和系列溫度夏比沖擊試驗獲得材料基本力學(xué)性能，管體橫向拉伸和系列溫度夏比沖擊試驗按照ASTMA370的要求進行。通過緊湊拉伸試驗和單邊缺口拉伸試驗獲得材料裂紋擴展阻力曲線。緊湊拉伸試驗按照GB/T21143的要求進行，單邊缺口拉伸試驗按照SY/T7318.2的要求5.5.1試樣清理、端部密封、進水和排氣參照SY/T5992進行。5.5.2如需測量殘余塑性應(yīng)變和影像資料，宜在缺口附近按附錄A刻畫網(wǎng)格。6測試裝置6.1測試裝置整體布局典型試驗整體布局示意圖如圖4所示，水壓在試樣端部輸入，恒定電流在缺口兩側(cè)輸入，并在缺口兩側(cè)采集缺口張開位移、電勢差數(shù)據(jù)，在缺口尖端采集應(yīng)變、溫度數(shù)據(jù)，在試樣端部采集內(nèi)壓數(shù)據(jù)。缺口張開位移由夾式引伸計采集，電勢差由專用直流電勢差裝置采集，應(yīng)變由應(yīng)變片采集，溫度由熱電偶采集，內(nèi)壓由壓力傳感器采集。圖4試驗整體布局示意圖6.2.1夾式引伸計通過刃口夾持裝置進行安裝，引伸計夾持位置的缺口應(yīng)符合ASTME399的規(guī)定，保證在試驗過程中能夠支撐引伸計并且不發(fā)生移動。6.2.2宜采用螺釘方式來安裝夾式引伸計，并滿足以下要求：a)螺孔中心到缺口表面的垂直距離宜盡量小，但應(yīng)大于1.5～2倍螺釘直徑；b)螺孔深度應(yīng)大于2.0mm,且在缺口深度大于4.0mm的情況下小于缺口深度的一半；c)螺孔需垂直于試樣表面；d)螺釘安裝時需要擰緊。6.2.3對于軸向穿透型裂紋整管試驗，同一位置只需安裝一個夾式引伸計。6.2.4對于軸向表面型裂紋整管試驗，同一位置需在試樣表面不同高度處安裝兩個夾式引伸計(雙引伸計)。66.2.5采用雙引伸計方法時，推薦采用圖5所示進行布置。兩個引伸計的刃口垂直高度差(hz-h)應(yīng)在0.25～2倍試樣壁厚t之間。圖5推薦雙引伸計安裝圖6.3.1直流電勢差測量裝置由直流電源、放大器、圖6電勢差法測量原理6.3.2直流電源最小可輸出電流應(yīng)不小于20A,通過電源線與焊接在試樣初始缺口兩側(cè)的接線柱相連接，為試樣提供恒定或脈沖電流。6.3.3缺口處電勢差信號由信號線采集，電勢差采集信號線應(yīng)采用屏蔽線以降低干擾，采集到的微弱電勢差信號通過前置放大器進行放大并通過濾波器濾波后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀進行存儲。6.3.4電勢差采集信號線通過點焊焊接到試樣缺口兩側(cè)，構(gòu)成電勢差測點，電勢差測點位于電流接線柱內(nèi)側(cè)。6.3.5前置放大器的放大倍數(shù)宜為1000倍，宜盡可能靠近電勢差測點。76.4.1試驗裝置中應(yīng)至少安裝兩個能準確顯示試驗壓力的壓力傳感器，其量程應(yīng)為試樣承受最大壓力的1.5倍。6.4.2壓力表精度宜為0.5級及以上。6.5.1應(yīng)至少安裝兩個熱電偶來監(jiān)測試樣溫度，熱電偶宜安裝在缺口附近。6.5.2熱電偶通過點焊進行安裝。6.5.3熱電偶的分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2℃。6.6應(yīng)變片可根據(jù)試驗需要安裝應(yīng)變片，應(yīng)變片安裝應(yīng)按照ASTME1237中的有關(guān)規(guī)定進行。6.7.1應(yīng)采用一臺普通/高速攝像機來觀察記錄整個試樣爆破過程。6.7.2宜采用兩臺高速攝像機分別觀察裂紋在缺口兩端的擴展過程，通過已標(biāo)記好的網(wǎng)格線(附錄A)得到裂紋擴展路徑、速度和距離。6.7.3攝像機攝像速度應(yīng)在1000幀/s以上。6.7.4攝像機像素應(yīng)在1280×800以上6.8軸向穿透型裂紋試樣直流電勢差裝置及夾式引伸計安裝位置6.8.1采用三套電勢差測點及三套夾式引伸計進行測試，安裝位置如圖7所示。圖7軸向穿透型裂紋直流電勢差裝置及夾式引伸計安裝位置6.8.2電流接線柱安裝于預(yù)制裂紋中心垂線上，距離預(yù)制裂紋中心線D18處。6.8.3兩套電勢差測點(EP1)安裝于預(yù)制裂紋初始缺口兩端，一套電勢差測點(EP2)安裝于預(yù)制裂紋中間。每套電勢差兩個測點跨距d=6mm,預(yù)制裂紋中心線位于兩個測點中間。預(yù)制裂紋初始缺口兩端的電勢差測點主要用于監(jiān)測裂紋起裂，中間的電勢差測點用來測量整個裂紋生長過程。6.8.4兩套夾式引伸計(CG1)安裝于預(yù)制裂紋兩端，一套夾式引伸計(CG2)安裝于預(yù)制裂紋中8間，夾式引伸計跨距d?宜為8.0mm～14.0mm,預(yù)制裂紋中心線位于夾式引伸計兩個刃口中間。6.9.3一套電勢差測點(EP3)安裝于預(yù)制裂紋中間，電勢差兩個測點跨距d=6mm,預(yù)制裂紋中心6.9.4一套夾式雙引伸計(CG3、CG4)安裝于初始裂紋中間，夾式雙引伸計跨距d?宜為8.0mm~14.0mm,高低夾式引伸計間距d?≤20mm。7試驗7.1.2當(dāng)最低試驗溫度在0℃以上時，宜采用水作為加壓介質(zhì)；當(dāng)最低試驗溫度在0℃及以下時，應(yīng)7.1.3正式試驗前，將水或者冷卻液加壓至0.2MPa并保壓30min,檢查是否存在泄漏。同時開啟所7.1.5合理控制加壓速率，加壓速率宜控制在0.1MPa/min～0.5MPa/min,從加壓開始至試驗結(jié)束時9SY/T731A2c=2c-2g 圖10穿透型裂紋長度/表面型裂紋深度與壓力的關(guān)系曲線8.2.1通過直流電勢差校準曲線計算得到不同時刻的裂紋深度a,裂紋深度a為預(yù)制裂紋深度a與裂紋擴展量△a之和，直流電勢差校準曲線見公式(3)。=a+auaU+aU其中：a、a、a,為待定常數(shù)，與具體試樣幾何尺寸、材料參數(shù)等有關(guān)。可采用有限元模擬法或試驗法8.2.2通過公式(4)計算得到不同時刻的裂紋擴展量△a,其中a由8.2.1計 8.2.3如圖9所示，建立裂紋中部高/低夾式引伸計(CG3/CG4)張開位移V與試樣內(nèi)壓p及裂紋中a)CG3或CG4的張開位移V均可使用；b)通過在電勢差曲線的起始段(V從0開始逐漸增大的階段)進行線性擬合得到線性段，在此d)壓力曲線的最大值為P8.2.4采用EP3所采集到的電勢差U,由公式(3)和公式(4)計算得到不同時刻的裂紋沿壁厚方8.2.5建立裂紋深度a與壓力p的關(guān)系曲線，如圖10所示。壓力超過P?之后，裂紋開始穩(wěn)態(tài)擴展，壓力超過p;之后裂紋失穩(wěn)擴展。最大壓力P對應(yīng)的裂紋深度為a。8.2.8試樣泄漏后，如果預(yù)制裂紋處沒有明顯鼓脹及沿軸向擴展，則試樣未發(fā)生斷裂，僅僅發(fā)生泄漏。如果預(yù)制裂紋處明顯鼓脹且裂紋沿軸向擴展明顯超出2o,則試樣發(fā)生了斷裂。8.3.1應(yīng)通過至少三次不同長度的軸向穿透型裂紋整管試驗來建立LBBa)裂紋起始點曲線；b)LBB準則點曲線；圖11LBB準則評估圖8.3.3可通過軸向表面型裂紋全尺寸試驗對LBB準a)由8.2.8判斷試樣發(fā)生泄漏還是斷裂；b)如符合由穿透型裂紋整管試驗建立的LBB準則，則判定建立的LBB準則有效，可在安全評價中使用；c)如不符合由穿透型裂紋整管試驗建立的LBB準則，則判定建立的LBB準則無效，需重新開9試驗報告應(yīng)按照附錄E的規(guī)定提供試驗報告。(資料性)在缺口附近標(biāo)記網(wǎng)格，推薦的網(wǎng)格區(qū)域?qū)挾葹槿笨趦蓚?cè)各45°范圍，網(wǎng)格區(qū)域長度可在預(yù)估的裂紋沿軸向擴展長度至整根鋼管長度之間選擇，網(wǎng)格標(biāo)記如圖A.1所示，裂紋擴展路徑采用小格網(wǎng)格，網(wǎng)格寬度不大于10mm,其余位置采用大格網(wǎng)格，網(wǎng)格寬度不大于50mm。在標(biāo)記網(wǎng)格之前，對鋼管上表面進行打磨以去除氧化層，打磨區(qū)域應(yīng)大于網(wǎng)格區(qū)域。采用酒精清洗去除表面殘留灰塵，并保持表面干燥，防止進一步生銹。采用金屬尺、記號筆和刻刀來刻畫網(wǎng)格。對于D=1219mm,=18.4mm,L=10000mm鋼管試樣，當(dāng)夾式引伸計跨距d=6mm,電流接線柱跨距D/4=305mm,直流電源輸出電流強度15A,試樣電導(dǎo)率4×10S/m時，穿透型裂紋試樣校準曲線參數(shù)見表B.1,表面型裂紋試樣校準曲線參數(shù)見表B.2。9QgGaaaa