基于CCUS的超临界CO_(2)管道止裂韧性研究进展

CCUS(CO_(2)捕集、利用与封存)作为一种应对全球气候变暖的关键技术,已得到国际社会的广泛认可与重视,而CO_(2)的管道运输是该技术的关键环节。为应对管输CO_(2)存在的工质泄漏的安全问题,开展CO_(2)管道止裂韧性研究已成为热点。结合国内外超临界CO_(2)管道止裂韧性研究的相关文献,总结分析了管道止裂原理,梳理了相关止裂方法,针对当今应用最为广泛的方法——Battelle双曲线法进行归纳分析,依次介绍管内介质减压波和管道裂纹扩展相关研究,并对这两部分内容分别从理论和实验两方面综述。同时,对CO_(2)管道设计规范和标准进行了总结分析。对CO_(2)管道减压波和管道裂纹扩展两方面亟需解决的科学问题进行了说明,对未来开展的研究内容进行了展望,以期为中国CO_(2)管道安全运输提供合理建议,填补CCUS技术空缺。

输送工艺参数对密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性的影响

为了研究密相/超临界CO_(2)输送管道的止裂性能,以密相/超临界CO_(2)长输管道断裂控制为研究目标,针对实际工况,基于GERG-2008状态方程、BTC双曲线模型和X65管道,计算分析了燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧燃烧捕获三种捕获方式下CO_(2)气质组分、初始温度、初始压力、管径和设计系数等对压力温度(P-T)状态、减压波曲线、止裂韧性的影响。结果发现,杂质组分的增加以及提高初始温度、增大管径、增大设计系数会导致密相/超临界CO_(2)输送管道止裂韧性增加;而提高初始压力会导致密相/超临界CO_(2)输送管道止裂韧性降低;燃烧后捕获产生的CO_(2)混合物输送管道所需的止裂韧性最小,富氧燃烧捕获产生的CO_(2)混合物输送管道所需的止裂韧性最高。该结果可为CO_(2)管道设计和工程应用提供理论依据。

密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性计算分析

针对密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性预测是研究的热点和难点,且已有的止裂韧性预测模型尚不能准确预测密相/超临界CO_(2)管道的止裂韧性等问题,对现有模型进行对比分析。介绍了目前常用的BTC修正、DNV F104-2021以及ISO 27913—2016方法,同时采用此3种方法分别计算了外径323.9 mm密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性,并对比分析计算结果。结果表明,现有的模型和计算方法都存在着数据不足、精准度较低的缺点,目前无法推荐特定的分析模型来评估密相/超临界CO_(2)管道中的延性裂纹扩展。DNV F104方法基于现有全部CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据,其计算结果相对较为保守,对后续开展全尺寸试验的指导性更强。研究结果可为小口径密相/超临界CO_(2)管道的全尺寸爆破试验设计提供理论依据。

油气输送管的止裂韧性研究

通过楔子横向加载，用ＣＣＡ试样研究了油气输送管的止裂韧性。显然止裂韧性是一顶重要的材料参数。试验结果表明，止裂韧性Ｋａ与夏比冲击吸收能ＣＶＮ之间存在如下关系：Ｋａ＝０．０１０３ＣＶＮ２＋１．２７０３ＣＶＮ＋１４．１４６。裂纹扩展长度取决于应力场强度因子的变化：Ｋ０－Ｋａ＝２５７１．９ａ－１０４．１４。

δ_5间接测量法测试管线钢止裂韧性CTOA试验研究

为解决多数实验室不具备δ5专用夹式引伸计而无法实现δ5间接测量法对裂纹尖端张开角CTOA的测试问题,该文另辟蹊径借鉴直接法测试CTOA中的数值图像相关方法,通过工业摄像机采集试样撕裂过程图像,然后在图像上直接测试δ5和裂纹扩展量Δa,进而求得裂纹尖端张开角CTOA。采用该方法重点测试3件X80管线钢试样的稳态裂纹扩展阶段临界CTOA值(CTOA)c,并依据试验断裂形式从原理上分析试验结果的有效性,确认被测X80管线钢的(CTOA)c为10.32°。

钢的动态断裂韧性及止裂韧性的研究现状

根据国内外关于动态断裂力学性能的研究文献,对动态断裂韧性KId(JId)及止裂韧性的研究现状进行了概括总结。

显微形貌法用于管线钢止裂韧性参数CTOA测试的研究

详细介绍了一种目前国内外研究较少的CTOA测试方法—显微形貌法的测试原理,并以紧凑拉伸试样为研究对象,将显微形貌法表面分离函数进行了简化。采用简化后计算公式计算得到被测X80管线钢试样正、反两面的稳态扩展临界CTOA值,即(CTOA)C分别为10.90°和10.65°,取二者平均值10.78°作为被测试样的(CTOA)C,相对其他CTOA测试方法的单侧表面测试结果更具说服力。

高韧性管线钢止裂韧性参数CTOA测试方法研究进展

裂纹尖端张开角(CTOA)已被应用于高韧性管线钢的止裂韧性评定。简要介绍了裂纹尖端张开角CTOA的定义,详细介绍了目前使用较广的4种CTOA测试方法,即稳态撕裂时直接测量法(光学显微和数值图像相关方法)、试验后测量(显微形貌法)、有限元法和通过δ5间接测量法,并对这几种方法的适用性及存在的问题进行了探讨,为CTOA测试方法的推广应用及今后进一步的丰富与完善打下了基础。

天然气管道止裂韧性预测模型的统计分析

采用最小二乘法对全尺寸管道断裂数据进行了分析 ,研究了工作压力、管道直径、壁厚等参数对止裂韧性预测的影响。结果表明 ,现有止裂韧性预测模型在较高钢级管道止裂韧性预测中产生较大误差 。

MTS万能材料试验机在石油管材止裂韧性测试中的应用

建立起以MTS810.15万能材料试验机为主体的材料止裂韧性试验装置,对石油天然气输送管材进行了平面应变止裂韧性(K_(la))测试.结果表明可以运用MTS万能材料试验机进行材料止裂韧性试验,并对材料的止裂韧性进行了分析探讨.

上海城市天然气高压管线断裂止裂韧性值探讨

介绍了输气钢管的延性断裂和止裂,止裂韧性计算的公式以及几条典型管线的止裂韧性要求,并且讨论了上海天然气主干管网工程用螺旋焊管韧性指标值。

BTC方法应用于CO_(2)管道止裂韧性计算的可行性

[目的]CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)技术对实现“碳中和”战略目标具有至关重要的作用,而管道输送作为CCUS产业链的关键环节,面临的主要挑战之一是密相CO_(2)管道延性裂纹止裂问题。[方法]从裂纹止裂控制机理出发,深入调研了巴特尔双曲线(Battelle Two-Curve, BTC)方法的研究进展,并剖析了其应用于天然气管道止裂控制的技术现状及局限性。针对裂纹止裂韧性BTC修正方法,从夏比冲击吸收能量、落锤吸收能量及裂纹尖端张开角3个角度进行评述,根据密相CO_(2)的特性,探究了BTC方法应用于CO_(2)管道止裂韧性计算的可行性。[结果]借鉴应用于天然气管道止裂控制的BTC修正方法,基于管道裂纹动态延性扩展止裂设计判据中的速度判据,从驱动力与阻力两个方面,提出了BTC应用于CO_(2)管道裂纹止裂控制的修正方法。CO_(2)管道全尺寸爆破试验是目前确定密相CO_(2)管道止裂韧性最有效的方法,根据前人研究中CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据,提出了BTC方法的修正系数范围,为CO_(2)管道的安全运行、CCUS技术的规模化应用提供了参考依据。[结论]利用BTC修正方法计算密相CO_(2)管道止裂韧性的研究尚处于起步阶段,虽然基于CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据得到了BTC方法的修正系数,但可供参考的试验数据较少且适用范围有限,今后可以进一步结合数值模拟研究,提出更有效的修正方法。

动态裂纹扩展韧性 K_(ID) 的估算及方法的评估

通过对３０ＣｒＭｎＳｉ２Ａ钢制成的ＤＣＢ（带裂尖小孔）试件的试验结果和利用动态有限元法（ＤＦＥＭ）与远场路径无关的Ｊ′积分相结合的方法计算了动态裂纹扩展韧性。较全面地对各种估算ＫＩＤ的工程方法进行了分析比较和评估，讨论了使用范围。此外，改进了Ｋａｎｎｉｎｅｎ的半经验公式，使它能对于不同泊松比的材料能方便地估算极限速度ＶＬ。同时，指出材料常数ｍ应与裂纹的初始长度和止裂长度ａａ及裂尖半径有关，给出了计算公式，使得估算ＫＩＤ更为简便和合理。

储能—落锤冲击试验法评定9%镍钢低温止裂性能

探讨了利用储能—落锤冲击试验法测试材料低温止裂性能的原理,得出了9%镍钢的止裂韧性值,并与大型双重拉伸试验结果进行初步的分析比较。结果表明,储能—落锤冲击试验法装置简单,操作方便,结果可靠。

应力波加载条件下907A钢-20℃时的动态断裂与止裂研究

在应力波加载 (SplitHopkinsonPressureBar)条件下 ,采用动态分析方法对 90 7A钢在 - 2 0℃时的裂纹起裂、扩展、止裂全过程进行了研究 .实验结果表明 :在 - 2 0℃时 ,90 7A钢的动态裂纹扩展过程是一先加速后减速的过程 ,其最大裂纹扩展速度 V max =2 16 .6 3m/s ;在 1.41× 10 7MPam12 ·s-1的加载速率下 ,90 7A钢的动态断裂韧性 KId =2 89.5 9MPam12 ,止裂韧性 KIA =2 6 2 .34MPam12 ,且二者相差不大 ,KId/KIA =1.1.

海底油气管道延性断裂止裂CVN冲击功的计算

介绍了油气管道延性断裂止裂的能量判据和速度判据,以及确定止裂韧性值的常用方法,并重点介绍了经典的Battelle双曲线模型。海底管线由于受海洋自然环境的影响,一旦管道发生泄漏和破坏等事故,不仅影响正常的生产秩序,对环境的影响更是难以估计。针对某海底油气管道延性断裂止裂,运用Battelle研究所开发的Version 1.0软件计算出了该管线在相应的设计条件下,管道的延性断裂止裂最小CVN冲击功值,为保证海底管线安全和确定相应的技术要求提供了可靠依据。

X90/X100高钢级管道止裂概率计算方法

随着天然气管道钢级、口径及运行压力的不断增加,容易出现输气管道延性裂纹的长程扩展问题。必须通过制定合理的止裂韧性指标对管道进行止裂控制。X80管道止裂韧性技术指标均按单管止裂要求制定。但是对于X90/X100高纲级管道,实际批量生产中很难达到单管止裂的韧性要求。介绍了一种基于所有炉批次钢管止裂韧性服从正态分布的止裂概率计算方法,并运用此方法计算制定了我国批量试生产X90钢管夏比冲击功炉平均值和夏比冲击功炉最小值技术指标,满足5~8根钢管内概率止裂要求。

西气东输管道延性断裂的止裂控制

正确合理地确定管材止裂韧性数值 ,是西气东输管道设计中的重大关键问题之一。为保证设计安全 ,管道的止裂设计必须建立在全尺寸止裂爆破试验的基础上 ,即用全尺寸止裂爆破试验来验证用模型预测并经公式修正的止裂韧性预测值。本文介绍了加拿大建设 Alliance输气管道时进行的全尺寸止裂爆破试验 ,实验结果表明 ,实际止裂韧性值与用美国 Battelle研究所的TCM双曲线模型和 L eis修正方法计算出的预测值相吻合。我国西气东输管道的设计参数没有超出国际上经过全尺寸爆破实验验证的输气管道的数据范围 ,故建议采用 TCM双曲线预测模型预测西气东输管道所需要的止裂韧性值。当计算出的止裂韧性数值大于 94 J时 ,采用大于 1.0的 L eis修正系数进行修正。文中还讨论了 CVN试样断口分离现象对止裂性能的影响。

腐蚀作用下高钢级管道延性断裂可靠性分析与研究

针对输气管道易发生长程裂纹扩展问题,在修正管道止裂韧性预测公式的基础上,根据同一制管批次内钢管夏比冲击功的平均值和标准差,统计高斯分布特征计算裂纹止裂和裂纹扩展的钢管数量占比,并通过管道裂纹扩展组合确定止裂概率,进而对管道进行可靠性分析。结果表明,采用1.8的修正系数可将90%的裂纹扩展点和100%的裂纹止裂点分开,计算的止裂韧性值满足单根钢管的止裂要求;可通过提高夏比冲击功的平均值或改变标准差实现止裂钢管数量占比的提高;8根钢管判定原则下比5根钢管判定原则下对应的运行年限少1~3 a,说明采用8根钢管判定原则计算管道可靠性更加保守;当管道位于一级二类地区及以上时,延性断裂引发的管道失效风险更大,当管道位于二级地区及以下时,强度失稳引发的管道失效风险更大。

80mm EH47-BCA止裂钢双重拉伸试验

针对南钢开发的EH47-BCA止裂钢,采用梯温型双重拉伸试验测量钢板-10℃止裂性能（Kca）为7896 N/mm^3/2,止裂温度、止裂韧性测试稳定性好、工程运用适用性好。满足各国船级社提出的技术指标值（-10℃的止裂韧性Kca≥6000 N/mm^3/2）。