材料最佳性能指标组合参量及在油气输送管道工程中的应用

时间：2025-06-09

焊管 2卷第 5 05第 8期 20年9月

材料最佳性能指标组合参量及

在油气输送管道工程中的应用冯耀荣‘,马秋荣‘ 2, 2,(. 1中国石油天然气集团公司管材研究所； 2中油集团石油管力学和环境行为重点实验室， .西安 706 ) 1 5 0

摘要：提出了管道材料最佳性能指标组合参量的概念。采用Y B设计准则时的最佳性能 B

指标组合参量为K/Y采用LB,Q, c B设计准的最则时佳性能指标组合参量为琉/ Y采用双判 Q,据法和失效评价图技术时管道材料的最佳性能指标组合参量为K, Y预测输气管道止裂时 . Q,/

的最佳材料性能指标组合参量为M Ci O )可用‘、 ( z ', Y Y i/" 0/, m统一表示不同情况下管道材料性能指标组合参量。 . Q的大小不但决定着管道的失效模式， K,Y/也决定着管道的安全状态，同时可以作为评价材料综合性能的新参量用于管道材料的质量评价或在管道安全设计与评价中推广使用。关键词：油气输送管道；材料最佳性能指标组合参量；安全设计；质量评价；止裂预刚中图分类号： E8文献标识码：文章编号：1 1 3 ( 0) - 01 T8 A 0 -98 5 0 01 -4 0 3 2 0 5 0

0引言当前，我国油气管道建设进人了一个新的高峰期，有大量的油气输送管道正在或将要建设。管道的安全性是对管道最基本的要求，稍有疏忽，可能导致灾难性后果。管道的安全性取决于材料

定的经验性，在大多数情况下过于保守，在某些情况下也会出现不安全性。同时由于对各种性能指标之间的相关性注意不够，在实际执行时会出现

一题〔刘例如，些问，。一一些规范中同规定了时材料的。" O/ b CN I C D J b, Q 1b ( O,并要 ' Y 4, K, ) O ' Y 6 V c,求这些指标全部满足规定，而有些企业或具体管道规范中对这些指标在通用规范的基础上又加严了要求，这些检验项目不合理的增加和指标不合理的加严，造成生产效率低下，生产成本上升。管道在不同的设计准则下，一定有一些最重要的或最佳的性能指标或其组合。采用断裂力学和管道安全分析技术，研究在不同服役条件下不同管道失效判据和设计准则时材料性能指标之间的相关性，提出合理的管道材料性能要求，可以在保证管道安全的同时，获得较大的经济效益。

因素、力学因素(服役条件)及管道的几何尺寸 (包括缺陷的影

响)而管道材料因素是确保管道，安全运行的基本条件，其中最关键的是选用合理的技术指标及其要求，使管道达到安全性和经济性的有机结合与统一。管道材料的强度和韧性是保证管道安全运行的基本指标。为了保证管道的安全运行，在相关管道设计规范中对管道材料的强度。、,、,和韧性(V ) CN等都提出了相应的要求，同时许多规范及企业专门的采购规范在通用规范的基础上，还

1材料最佳性能指标组合参盘在管道设计和安全评价中的意义这里以油气管道为例加以论述。管道可看作一种广义的压力容器，一般有两种以断裂力学为

规定了其它指标如屈强比，/ b均匀塑性变形 YO, '

的伸。[〕延率。’。等一，

通常的管道设计方法主要是以工程实践经验为基础，对于管道材料性能指标的确定也带有一

25 9 0年月

基础的设计准则，一种是在容器破坏之前先发生屈服，即先屈服后破坏准则( id erBe ) Ye Bf r k, l o e a简称 Y B B准则。另一种是使非稳定扩展的最小裂纹长度大于容器壁厚的安全设计，即先漏后破准则( a Bf Be )简称 L B e L k er r k, o e a B准则。 11采用 Y B . B准则时材料最佳性能指标组合参量的意义

最佳性能指标组合参量为 C, L则

C= (l Y’,邓天/Y ,) 、弘，, L月K/ c

() 4

式中刀为与结构有关的比例因子，即采用 LB B准则进行管道设计时，应选择暇/ Y,最大的材料。

从() ①若，不变， 4式可知： Y应提高材料的凡； C②若凡不变， C应降低材料的。;、③对高强度

采用这一准则时，允许在含缺陷管道不发生裂纹扩展的压力下全面屈服。在这种情况下，要求材料具有最大的缺陷尺寸容限。根据断裂力学分析，裂纹尖端的应力强度因子表达式可写成 (式， ) 1当取极限状态时为()即 2式，

材料，要使嵘/,值最大， C,比凡必须足够大。随着材料强度的增加，对韧性的要求相应增大。综上所述，采用 L B设计准则时， B管道材料

最佳性能指标组合参量为瞬/,其值表征在保，,证管道安全的条件下管道中允许最大裂纹尺寸的大小及承载能力的高低；反之，在进行管道设计与选材时，应选用其值较大的材料。随着管道输送向高压输送方向发展，对材料的屈服强度要求越来越高，从以上两种设计准则的分析均可看出，采用高强

度材料时对材料的韧

筑=厂扮而， a=/ (l介、’ a凡/、’。 1二 K/ )= ( c )。 c。

() 1() 2

式中 K为 1,型加载时裂尖应力强度因子；,为与裂纹面垂直的外加应力；为裂纹尺寸；为与 a Y结构有关的因子； C凡为材料 1型加载时平面应变断裂韧性；为可允许的极限裂纹尺寸；、 a。,为材