SYT 7318.5-2021 油气输送管特殊性能试验方法 第5部分：全尺寸断裂阻力试验-PDF解密

中华人民共和国石油天然气行业标准第5部分：全尺寸断裂阻力试验Standardtestmethod2021—11-16发布2022-02—16实施国家能源局发布I Ⅲ 12规范性引用文件 1 14符号、代号和缩略语 24.1符号和代号 24.2缩略语 3 35.1试样长度 35.2穿透型裂纹缺口 35.3表面型裂纹缺口 4 55.5试样制备 5 56.1测试装置整体布局 56.2夹式引伸计 56.3直流电势差装置 66.4压力传感器 76.5热电偶 7 76.7摄像机 76.8轴向穿透型裂纹试样直流电势差装置及夹式引伸计安装位置 76.9轴向表面型裂纹试样直流电势差装置及夹式双引伸计安装位置 8 87.1试验过程 87.2试验温度 97.3数据采集 9 98.1轴向穿透型裂纹整管试验数据处理和分析 98.2轴向表面型裂纹整管试验数据处理和分析 8.3LBB准则评估图 Ⅱ9试验报告 附录A(资料性)缺口处网格 附录B(资料性)直流电势差校准曲线 附录C(规范性)含轴向穿透型裂纹钢管J计算方法 附录D(规范性)夹式双引伸计CTOD计算方法 附录E(规范性)试验报告 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的本文件是SY/T7318《油气输送管特殊性能试验方法》的第5部分。SY/T7318已经发布了以下部分：——第1部分：宽板拉伸试验；——第2部分：单边缺口拉伸试验；——第3部分：全尺寸弯曲试验；——第4部分：全尺寸气体爆破试验。本文件主要起草人：李鹤、封辉、黄呈帅、池强、王为、李群、黄卫锋、孙德鑫、高涛、王俊、SY/T7318《油气输送管特殊性能试验方法》旨在建立适用于油气管道的非常规试验方法，从而将油气管道特殊性能测试规范化、标准化，拟由九个部分构成。——第1部分：宽板拉伸试验。——第2部分：单边缺口拉伸试验。——第3部分：全尺寸弯曲试验。——第4部分：全尺寸气体爆破试验。——第5部分：全尺寸断裂阻力试验。——第6部分：全尺寸SCC试验。——第7部分：全尺寸拉伸试验。 第8部分：掺氢管道材料与氢环境相容性评价，——第9部分：部分气体爆破试验。本文件旨在通过含轴向表面型及穿透型裂纹钢管爆破试验建立钢管断裂阻力曲线及先漏后破准则评估图，并确定：1)裂纹开始扩展时的临界裂纹尺寸和起裂压力；2)裂纹扩展量与压力的对应关系；3)钢管失效时的临界裂纹尺寸和压力。本文件与SY/T7318《油气输送管特殊性能试验方法》的其他部分同属于油气管道特殊性能试验方法之一。SY/T7318.1是通过较大尺寸试样来评价焊接接头性能。SY/T7318.2是通过小尺寸试样来评价钢管的断裂阻力。SY/T7318.3和SY/T7318.4及本文件均是通过整管试验来评价钢管性能。其中SY/T7318.3用来评价钢管的抗弯曲能力，SY/T7318.4用来评价钢管的止裂性能。本文件与SY/T7318.2存在关联性，分别在不同尺度上来评价钢管的断裂阻力。1油气输送管特殊性能试验方法第5部分：全尺寸断裂阻力试验本文件规定了穿透型及表面型裂纹钢管断裂阻力试验的试样尺寸及制备、测试装置、试验方法、下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适GB/T21143金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法SY/T7318.2油气输送管特殊性能试验方法第2部分：单边缺口拉伸试验ASTMA370钢制品力学性能的标准试验方法和定义(Standardtestmethodsanddefinitionsformechanicaltestingofsteelproducts)ASTME399金属材料线弹性平面应变断裂韧性的标准试验方法(Standardtestmethodforlinear-elasticplane-strainfracturetoughnessofmetallicmaterials)2围绕裂纹前缘，从裂纹的一侧表面到另一侧表面的线积分或面积分，用以表征裂纹前缘地区的应裂纹尖端张开位移crack-tipop裂纹扩展阻力曲线crackextensionres起裂压力pressureofcrackextension试样中预制裂纹开始扩展时的压力。a——裂纹深度，单位为毫米(mm);a——最大压力时的裂纹深度，单位为毫米(mm);Aa——裂纹沿壁厚方向扩展量，单位为毫米(mm);qo——预制裂纹半长，单位为毫米；D——试样外径，单位为毫米(mm);-—J积分，单位为千焦每平方米(kM——含穿透型裂纹钢管膨胀因子，无量纲；R:——试样中的最大压力，单位为兆帕(MPa);P—试样中裂纹起始扩展时的压力，单位为兆帕(MPa);T——试样温度，单位为摄氏度(℃);3U——无量纲的电势差；U——某一时刻电压探针间的电势差，单位为毫伏(mV);——起始时刻电压探针间的电势差，单位为 裂纹长度参数，无量纲v——泊松比，无量纲，取值0.3;or——流变应力，单位为兆帕(MPa);下列缩略语适用于本文件。CG1:穿透型裂纹端部位置夹式引伸计CG2:穿透型裂纹中间位置夹式引伸计CG4:高夹式引伸计CTOD:裂纹尖端张开位移EP1:穿透型裂纹端部位置电压探针EP2:穿透型裂纹中间位置电压探针EP3:表面型裂纹中间位置电压探针5试样取整根钢管作为试样，试样长度不小于钢管公称外径的5倍。5.2.4两侧裂纹尖端应锐化，锐化后的裂纹尖端宽度应不大于0.2mm,长度应不小于5mm,宜采用5.2.5预制裂纹长度2g₀应为0.25D～0.5D,宜选择0.25D、0.38D、0.5D4单位为毫米采用防水胶布，同时采用粘弹体粘贴于防水胶布外周防止泄漏，如图2所示。单位为毫米5.3.4预制裂纹长度2c₀应为0.25D～0.5D,宜选择0.25D、0.38D、0.5D三个长度。5.3.5预制裂纹深度a宜在0.4t～0.8t之间选择。55.4.1试验前应对试样进行外观和尺寸(管径、壁厚、周长等)检测、无损检验，对焊缝进行无损探伤。5.4.2试验前应对试样进行管体横向拉伸、系列温度夏比冲击试验、紧凑拉伸和单边缺口拉伸试验。通过管体横向拉伸和系列温度夏比冲击试验获得材料基本力学性能，管体横向拉伸和系列温度夏比冲击试验按照ASTMA370的要求进行。通过紧凑拉伸试验和单边缺口拉伸试验获得材料裂纹扩展阻力曲线。紧凑拉伸试验按照GB/T21143的要求进行，单边缺口拉伸试验按照SY/T7318.2的要求5.5.1试样清理、端部密封、进水和排气参照SY/T5992进行。5.5.2如需测量残余塑性应变和影像资料，宜在缺口附近按附录A刻画网格。6测试装置6.1测试装置整体布局典型试验整体布局示意图如图4所示，水压在试样端部输入，恒定电流在缺口两侧输入，并在缺口两侧采集缺口张开位移、电势差数据，在缺口尖端采集应变、温度数据，在试样端部采集内压数据。缺口张开位移由夹式引伸计采集，电势差由专用直流电势差装置采集，应变由应变片采集，温度由热电偶采集，内压由压力传感器采集。图4试验整体布局示意图6.2.1夹式引伸计通过刃口夹持装置进行安装，引伸计夹持位置的缺口应符合ASTME399的规定，保证在试验过程中能够支撑引伸计并且不发生移动。6.2.2宜采用螺钉方式来安装夹式引伸计，并满足以下要求：a)螺孔中心到缺口表面的垂直距离宜尽量小，但应大于1.5～2倍螺钉直径；b)螺孔深度应大于2.0mm,且在缺口深度大于4.0mm的情况下小于缺口深度的一半；c)螺孔需垂直于试样表面；d)螺钉安装时需要拧紧。6.2.3对于轴向穿透型裂纹整管试验，同一位置只需安装一个夹式引伸计。6.2.4对于轴向表面型裂纹整管试验，同一位置需在试样表面不同高度处安装两个夹式引伸计(双引伸计)。66.2.5采用双引伸计方法时，推荐采用图5所示进行布置。两个引伸计的刃口垂直高度差(hz-h)应在0.25～2倍试样壁厚t之间。图5推荐双引伸计安装图6.3.1直流电势差测量装置由直流电源、放大器、图6电势差法测量原理6.3.2直流电源最小可输出电流应不小于20A,通过电源线与焊接在试样初始缺口两侧的接线柱相连接，为试样提供恒定或脉冲电流。6.3.3缺口处电势差信号由信号线采集，电势差采集信号线应采用屏蔽线以降低干扰，采集到的微弱电势差信号通过前置放大器进行放大并通过滤波器滤波后传输到数据采集仪进行存储。6.3.4电势差采集信号线通过点焊焊接到试样缺口两侧，构成电势差测点，电势差测点位于电流接线柱内侧。6.3.5前置放大器的放大倍数宜为1000倍，宜尽可能靠近电势差测点。76.4.1试验装置中应至少安装两个能准确显示试验压力的压力传感器，其量程应为试样承受最大压力的1.5倍。6.4.2压力表精度宜为0.5级及以上。6.5.1应至少安装两个热电偶来监测试样温度，热电偶宜安装在缺口附近。6.5.2热电偶通过点焊进行安装。6.5.3热电偶的分辨率应优于0.2℃。6.6应变片可根据试验需要安装应变片，应变片安装应按照ASTME1237中的有关规定进行。6.7.1应采用一台普通/高速摄像机来观察记录整个试样爆破过程。6.7.2宜采用两台高速摄像机分别观察裂纹在缺口两端的扩展过程，通过已标记好的网格线(附录A)得到裂纹扩展路径、速度和距离。6.7.3摄像机摄像速度应在1000帧/s以上。6.7.4摄像机像素应在1280×800以上6.8轴向穿透型裂纹试样直流电势差装置及夹式引伸计安装位置6.8.1采用三套电势差测点及三套夹式引伸计进行测试，安装位置如图7所示。图7轴向穿透型裂纹直流电势差装置及夹式引伸计安装位置6.8.2电流接线柱安装于预制裂纹中心垂线上，距离预制裂纹中心线D18处。6.8.3两套电势差测点(EP1)安装于预制裂纹初始缺口两端，一套电势差测点(EP2)安装于预制裂纹中间。每套电势差两个测点跨距d=6mm,预制裂纹中心线位于两个测点中间。预制裂纹初始缺口两端的电势差测点主要用于监测裂纹起裂，中间的电势差测点用来测量整个裂纹生长过程。6.8.4两套夹式引伸计(CG1)安装于预制裂纹两端，一套夹式引伸计(CG2)安装于预制裂纹中8间，夹式引伸计跨距d₂宜为8.0mm～14.0mm,预制裂纹中心线位于夹式引伸计两个刃口中间。6.9.3一套电势差测点(EP3)安装于预制裂纹中间，电势差两个测点跨距d=6mm,预制裂纹中心6.9.4一套夹式双引伸计(CG3、CG4)安装于初始裂纹中间，夹式双引伸计跨距d₂宜为8.0mm~14.0mm,高低夹式引伸计间距d₅≤20mm。7试验7.1.2当最低试验温度在0℃以上时，宜采用水作为加压介质；当最低试验温度在0℃及以下时，应7.1.3正式试验前，将水或者冷却液加压至0.2MPa并保压30min,检查是否存在泄漏。同时开启所7.1.5合理控制加压速率，加压速率宜控制在0.1MPa/min～0.5MPa/min,从加压开始至试验结束时9SY/T731A2c=2c-2g 图10穿透型裂纹长度/表面型裂纹深度与压力的关系曲线8.2.1通过直流电势差校准曲线计算得到不同时刻的裂纹深度a,裂纹深度a为预制裂纹深度a与裂纹扩展量△a之和，直流电势差校准曲线见公式(3)。=a+auaU+aU其中：a、a、a,为待定常数，与具体试样几何尺寸、材料参数等有关。可采用有限元模拟法或试验法8.2.2通过公式(4)计算得到不同时刻的裂纹扩展量△a,其中a由8.2.1计 8.2.3如图9所示，建立裂纹中部高/低夹式引伸计(CG3/CG4)张开位移V与试样内压p及裂纹中a)CG3或CG4的张开位移V均可使用；b)通过在电势差曲线的起始段(V从0开始逐渐增大的阶段)进行线性拟合得到线性段，在此d)压力曲线的最大值为P8.2.4采用EP3所采集到的电势差U,由公式(3)和公式(4)计算得到不同时刻的裂纹沿壁厚方8.2.5建立裂纹深度a与压力p的关系曲线，如图10所示。压力超过P₀之后，裂纹开始稳态扩展，压力超过p;之后裂纹失稳扩展。最大压力P对应的裂纹深度为a。8.2.8试样泄漏后，如果预制裂纹处没有明显鼓胀及沿轴向扩展，则试样未发生断裂，仅仅发生泄漏。如果预制裂纹处明显鼓胀且裂纹沿轴向扩展明显超出2o,则试样发生了断裂。8.3.1应通过至少三次不同长度的轴向穿透型裂纹整管试验来建立LBBa)裂纹起始点曲线；b)LBB准则点曲线；图11LBB准则评估图8.3.3可通过轴向表面型裂纹全尺寸试验对LBB准a)由8.2.8判断试样发生泄漏还是断裂；b)如符合由穿透型裂纹整管试验建立的LBB准则，则判定建立的LBB准则有效，可在安全评价中使用；c)如不符合由穿透型裂纹整管试验建立的LBB准则，则判定建立的LBB准则无效，需重新开9试验报告应按照附录E的规定提供试验报告。(资料性)在缺口附近标记网格，推荐的网格区域宽度为缺口两侧各45°范围，网格区域长度可在预估的裂纹沿轴向扩展长度至整根钢管长度之间选择，网格标记如图A.1所示，裂纹扩展路径采用小格网格，网格宽度不大于10mm,其余位置采用大格网格，网格宽度不大于50mm。在标记网格之前，对钢管上表面进行打磨以去除氧化层，打磨区域应大于网格区域。采用酒精清洗去除表面残留灰尘，并保持表面干燥，防止进一步生锈。采用金属尺、记号笔和刻刀来刻画网格。对于D=1219mm,=18.4mm,L=10000mm钢管试样，当夹式引伸计跨距d=6mm,电流接线柱跨距D/4=305mm,直流电源输出电流强度15A,试样电导率4×10S/m时，穿透型裂纹试样校准曲线参数见表B.1,表面型裂纹试样校准曲线参数见表B.2。9QgGaaaa