一种输送管道用管材适用性测试装置及测试判断方法

摘要

本发明提供一种输送管道用管材适用性测试装置及测试判断方法，从输送管道的典型管材管体特征位置切取试验管环，将若干段试验管环依次密封连接得到试验管段，再加上堵头形成密闭的试验管环系统，本发明能够在密闭的试验管环系统中输入实际的输送介质并适当加压，通过设置在试验管环系统内的集成传感器来监测试验管环系统内介质的主要参数，并通过集成仪表及控制装置实时调整试验管环系统内介质的主要参数，从而能够准确模拟管线运行参数及真实服役环境，最终结合实验设计对试验管环的管体、焊缝等特征位置进行取样分析，能够对输送管道用管材适用性进行全面、准确评估，有效减少因管材适用性问题导致的输送管道失效事故的发生。

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气行业管道技术领域，涉及一种输送管道用管材适用 性测试装置及测试判断方法。

背景技术

全球范围内对能源需求的日益增加极大的促进了高压输送管线的建设步 伐。随着油气资源需求量的大幅度增加，世界各国均加大油气资源开采量以满 足市场需要。许多油田的油气资源中都含有H₂S等酸性腐蚀介质，虽然长距离 管道输送之前，油田会对油气进行净化处理，但酸性服役环境导致的应力腐蚀 和氢致开裂事故仍时有出现。

此外，随着我国环境污染问题日趋严重，煤等化石能源的清洁利用迫在眉 睫。煤制气技术可行性在美国大平原煤制气工厂经过了30年的验证。煤制气项 目集中在新疆、内蒙古等主要煤炭产区建设。但这些地区距离天然气主要消费 市场遥远，管道输送将成为煤制气最经济可行的运输方式。煤制气的气质组分 中通常含有较高的H₂和CO₂，这些气质组分的存在给天然气管道用管材的适用 性带来新的挑战。

因此，无论是酸性油气田，还是煤制气管道输送，都需要对输送管道用管 材的适用性进行测试。

在酸性环境用管线钢耐腐蚀性能的表征以及测试方法，主要厂家通常按照 NACE TM0177标准中规定的方法对管线钢的抗SSC性能进行测试。

NACE TM0177(GB/T 4157)“金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实 验室试验”规定了含硫化氢的酸性水溶液中受拉伸应力的金属抗开裂破坏性能 试验。其中包含的四种试验方法分别为：拉伸试验，弯梁试验，C环形试验，双 悬臂梁试验。除了这些标准规定方法之外，为了深入研究管线钢SSC的机理， 一些SSC实验室测试技术也得到了快速发展，主要包括慢应变速率拉伸试验方 法(SSRT)、锥形试样拉伸测试方法(TTT)、弯曲试样的悬臂梁测试方法等。这些 方法有一个共同的特点就是需要从钢管管体或焊缝典型位置将小型试样切取出 来，试样所处的应力状态与钢管所处的应力状态会发生较大改变，由于结构因 素也是影响管线钢抗腐蚀性能的主要因素之一，因此这些方法所得到测试结果 在真实服役状态下的适用性有待考量。

此外，随着管线钢开发技术的快速发展，大应变管线钢，X90、X100等超 高钢级管线钢在管线建设中将得到广泛应用，这就意味着每条油气输送管道在 不同地区采用的管材从化学成分、组织、性能等方面都将存在较大差异，从而 给管材在真实服役状态下的适用性考量带来较大的技术难度，目前尚未有装置 可以集成解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输送管道用管材适用性测试装置及测试判断方 法，能够对输送管道用管材适用性进行全面、准确评估，有效减少因管材适用 性问题导致的输送管道失效事故的发生。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种输送管道用管材适用性测试装置，包括由若干段试验管环依次密封连 接而成的试验管段，试验管段的一端顶部设有进气口，底部设有进液口，试验 管段的另一端顶部设有出气口，出气口上设有溢出阀，试验管段的两端面分别 与堵头密封连接，试验管段的外部设置有集成仪表及控制装置，试验管段的内 部设置有集成传感器，集成仪表及控制装置的连线通过出气口伸入试验管段内 部与集成传感器相连。

所述的若干段试验管环之间，以及试验管段与堵头、进气口、进液口、出 气口之间均采用焊接密封连接。

所述的集成仪表及控制装置包括测温装置和测压装置，集成传感器包括温 度传感器和压力传感器。

所述的试验管环的个数为1～30个，每个试验管环的长度为0.2～1m。

所述的若干段试验管环的外径相同。

一种输送管道用管材适用性测试判断方法，包括以下步骤：

1)根据管线建设的实际管材使用环境及管材的特征参数确定若干典型管材 (典型管材选取时主要考察生产厂家、化学成分、组织特征等因素，应能够代 表该批次管材的普遍水平)，从典型管材的管体特征位置切取试验管环(特征位 置一般选取管材中心位置以确定其代表性)，得到若干试验管环；

2)将得到的若干试验管环依次密封连接形成试验管段，在试验管段的一端 顶部设置进气口，底部设置进液口，试验管段的另一端顶部设置出气口，在出 气口上设置溢出阀，并用堵头将试验管段的两端面密封，形成密闭的试验测试 系统；

3)将集成传感器安装在试验管段内，将集成仪表及控制装置设置在试验管 段的外部，并将集成仪表及控制装置的连线一部分通过出气口伸入试验管段内 部与集成传感器相连，另一部分与向进气口和/或进液口充入输送介质的控制阀 门相连；

4)通过进气口和/或进液口向密闭的试验测试系统中输入管材实际使用情况 下的输送介质并加压，通过集成传感器检测以及集成仪表及控制装置调控试验 测试系统中输送介质的运行参数，以模拟管材的真实服役环境，待输送介质的 运行参数达到预设要求时停止充入输送介质，封闭试验测试系统，开始进行试 验测试，试验过程中对试验测试系统内的输送介质参数进行监测和实时调节， 达到预定的测试时间和周期后停止试验，通过出气口对试验测试系统中的输送 介质进行泄压；

5)在试验管环的管体及密封连接处取样，对样品进行分析，并与试验前的 管材性能进行比较，从而对输送管道用管材的适用性进行判断评估。

所述的步骤1)中在切取试验管环之前先对典型管材进行内表面处理，内表 面处理的具体操作为对典型管材内表面的损伤进行修磨处理，使处理面与典型 管材内表面之间为圆滑过渡。

所述的步骤2)在进行之前，先在每个试验管环的两侧加工坡口，再将若干 段试验管环依次通过焊接密封相连。

所述的坡口形式及焊接工艺按照管材的现场实际环焊作业的工艺参数进 行。

所述的步骤5)中对样品进行分析是对试验管环进行力学性能试验和/或组 织分析。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的输送管道用管材适用性测试装置，将若干段试验管环依次密 封连接而成的试验管段，再加上堵头形成密闭的试验管环系统，能够在密闭的 试验管环系统中输入实际的输送介质并适当加压，通过集成传感器来监测密闭 的试验管环系统内输送介质的主要参数，并通过集成仪表及控制装置实时调整 密闭的试验管环系统内输送介质的主要参数，从而能够准确模拟管线运行参数 (温度、压力)以及真实服役环境，最终结合实验设计对试验管环的管体、焊 缝等特征位置进行取样分析，能够对输送管道用管材适用性进行全面、准确评 估，有效减少因管材适用性问题导致的输送管道失效事故的发生。

每条油气输送管道在不同地区采用的管材从化学成分、组织、性能等方面 都存在较大差异，从而给管材在真实服役状态下的适用性考量带来较大的技术 难度，本发明提供的输送管道用管材适用性测试判断方法可以集成解决这一问 题。本发明提供的输送管道用管材适用性测试判断方法不需要从钢管管体或焊 缝典型位置将小型试样切取出来，而是从输送管道的若干典型管材的管体特征 位置直接切取较大体积的试验管环，因此试验管环所处的应力状态与钢管所处 的应力状态不会发生较大改变，消除了结构因素对管线钢适用性测试的影响， 将切取的若干试验管环密封连接后向其中充入实际的输送介质，从而模拟管材 的真实服役情况对试验管环进行测试，得到测试结果可以准确反映管材在真实 服役状态下的适用性，通过本发明提供的输送管道用管材适用性测试判断方法 得到的试验结果可以对输送管道用管材适用性进行全面、准确评估，有效减少 因管材适用性问题导致的输送管道失效事故的发生。

进一步的，由于本发明提供的输送管道用管材适用性测试判断方法在测试 过程中对典型管材以及特征位置的选取做了明确要求，并且要求对管体内表面 的损伤等缺陷先进行修磨处理，从而可以有效避免外界机械损伤等因素对试验 结果带来的较大干扰，最大程度地保证了试验结果的代表性及准确性。

附图说明

图1是本发明提供的输送管道用管材适用性测试装置的结构示意图；

其中，1-堵头；2-试验管环A；3-试验管环B；4-试验管环C；5-试验管环D； 6-试验管环E；7-进液口；8-进气口；9-出气口；10-集成仪表及控制装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的输送管道用管材适用性测试装置，包括由1～30个 长度为0.2～1米的相同外径的试验管环依次焊接而成的试验管段，试验管段的 一端顶部焊接有进气口8，底部焊接有进液口7，试验管段的另一端顶部焊接有 出气口9，出气口9上设有溢出阀，试验管段的两端面分别焊接有堵头1，试验 管段的外部设置有集成仪表及控制装置10，试验管段的内部设置有集成传感器， 集成仪表及控制装置10的连线通过出气口9伸入试验管段内部与集成传感器相 连；其中集成仪表及控制装置10至少包括测温装置和测压装置，集成传感器至 少包括温度传感器和压力传感器。

本发明提供的输送管道用管材适用性测试判断方法，包括以下步骤：

1)根据管线建设的实际管材使用环境及管材的特征参数确定若干典型管材 (典型管材选取时主要考察生产厂家、化学成分、组织特征等因素，应能够代 表该批次管材的普遍水平)，先对典型管材进行内表面处理(可以使用角磨机等 装置对典型管材内表面的损伤进行修磨处理，使处理面与典型管材内表面之间 应圆滑过渡)，然后从典型管材的管体特征位置切取试验管环(特征位置一般选 取管材中心位置以确定其代表性)，得到若干试验管环；

2)在每个试验管环的两侧加工坡口，再将若干试验管环依次焊接形成试验 管段，在试验管段的一端顶部焊接进气口8，底部焊接进液口7，试验管段的另 一端顶部焊接出气口9，在出气口9上设置溢出阀，并在试验管段的两端面焊接 堵头1，形成密闭的试验测试系统；其中坡口形式及焊接工艺按照管材的现场实 际环焊作业的工艺参数进行；

3)将集成传感器安装在试验管段内，将集成仪表及控制装置10设置在试 验管段的外部，并将集成仪表及控制装置10的连线一部分通过出气口9伸入试 验管段内部与集成传感器相连，另一部分与向进气口8和/或进液口7充入输送 介质的控制阀门相连；

4)通过进气口8和/或进液口7向密闭的试验测试系统中输入管材实际使用 情况下的输送介质并加压，通过集成传感器检测以及集成仪表及控制装置10调 控试验测试系统中输送介质的运行参数，以模拟管材的真实服役环境，待输送 介质的运行参数达到预设要求时停止充入输送介质，封闭试验测试系统，开始 进行试验测试，试验过程中对试验测试系统内的输送介质参数进行监测和实时 调节，达到预定的测试时间和周期后停止试验，通过出气口9对试验测试系统 中的输送介质进行泄压；

5)在试验管环的管体及密封连接处取样，对样品进行分析(力学性能试验 和/或组织分析)，并与试验前的管材性能进行比较，从而对输送管道用管材的适 用性进行判断评估。

在测试过程中，首先根据管线建设的实际管材使用情况，根据管材的化学 成分、组织、性能等特征参数确定典型管材，随后将从典型管材的管体特征位 置切取的试验管环(如图1中的试验管环A、试验管环B、试验管环C、试验管 环D和试验管环E，其附图标记分别为2～6)通过环焊缝焊接起来，焊接工艺及 坡口形式可以参照现场环焊作业的工艺参数进行，得到试验管段，在试验管段 一端顶部焊接有出气口，该出气口亦可作为集成传感器的连接口，在试验管段 另一端顶部焊接有进气口，底部则焊接有进液口，然后在试验管段的两端面焊 接堵头对整个试验管环系统进行密闭。在密闭的试验管环系统中输入实际的输 送介质并适当加压，通过集成传感器来监测密闭的试验管环系统内输送介质的 主要参数，并通过集成仪表及控制装置实时调整密闭的试验管环系统内输送介 质的主要参数，以准确模拟管线运行参数(温度、压力)以及真实服役环境， 待输送介质条件满足预定要求时开始进行试验测试，待试验完成后对密闭的试 验管环系统内的输送介质进行卸载，并拆卸清理堵头，随后即可结合实验设计 对试验管环的管体、焊缝等特征位置进行取样分析。最后根据试验结果对输送 管道用管材适用性进行全面、准确评估，有效减少因管材适用性问题导致的输 送管道失效事故的发生。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

以西气东输二线为例，该天然气管道在建设过程中，涉及到的干线管线钢 产品包括X80钢级、管径1219mm钢管，壁厚分布范围为15.3mm～33.0mm， 并且在一些基于应变设计地区使用了抗大变形钢管，此外，由于国内管线钢供 应企业众多，即使对于同一种管线钢规格，成份、组织差异也可能会比较明显。 虽然西气东输二线曾对所输送气体的适用性进行评估，但随着国内环境污染问 题日趋严重，煤等化石能源的清洁利用迫在眉睫，中石油煤制气项目建设规划 中提出依托天然气管网将煤制气从生产地输送至目的地。从煤制气的气质组分 来看，组分中含有较高的CO₂、H₂、H₂O，这些气质组分的存在给天然气管道用 管材的适用性带来新的挑战。

为了评估西气东输二线在煤制气输送过程中的适用性，根据管材的规格、 成份、组织等特征参数确定典型管材如表1所示，并在对应钢管进行内表面处 理后切取长度为1m的试验管环：

表1 西气东输二线典型管材列表

钢管规格(钢级) 外径(mm) 壁厚(mm) 管环标识 西段干线管(X80) 1219 18.4 试验管环A 西段干线管 1219 22.0 试验管环B 西段干线管 1219 26.4 试验管环C 西段干线管 1219 33.0 试验管环D 西段干线管(抗大变形钢管) 1219 22.0 试验管环E

在各试验管环两侧加工坡口后，按照图1所示将所有试验管环通过环焊作 业进行连接，得到试验管段，随后在试验管段的两端面焊接堵头，并在试验管 段对应位置焊接进液口、进气口和出气口，将集成传感器放入试验管段内腔， 并进行密封，最后完成集成仪表及控制装置的连线。

试验时，先通过进气口向封闭的试验管环系统内充入拟通过西气东输二线 输送的煤制气，通过集成传感器对封闭的试验管环系统内的介质参数进行监测 以便实时调节，模拟真实管道运行时的环境参数，待压力和温度达到试验预定 要求时，停止介质充入，封闭试验管环系统，并开始试验，试验过程中，通过 集成仪表及控制装置对封闭的试验管环系统内的介质参数进行监测并实时调 节。

试验达到预定时间周期后，通过出气口对封闭的试验管环系统内的介质进 行泄压，随后对试验管环进行拉伸、冲击等力学性能试验，也可进行组织研究， 然后与管材在试验前的性能或组织情况对比分析，以评估输送介质对管道用管 材的适用性。

实施例2：

以中缅天然气管道为例，该天然气管道工程沿线途经泥石流、滑坡和地震 液化等复杂地带，恶劣地质条件和复杂的输送介质使得中缅天然气管道用钢管 有必要采用应变设计。此外，由于国内管线钢供应企业众多，即使对于同一种 管线钢规格，成份、组织差异也可能会比较明显。虽然中缅天然气管道曾对所 输送气体的适用性进行评估，但如果天然气气质组分出现波动，这些气质组分 的存在给天然气管道用管材的适用性带来新的挑战。

为了评估中缅天然气管道在特定气质输送过程中的适用性，根据管材的试 制厂家确定典型管材如表2所示，并在对应钢管进行内表面处理后切取长度为 0.8m的管环：

表2 中缅天然气管道典型管材列表

试制厂家 外径(mm) 壁厚(mm) 管环标识 厂家A 1219 17.5 试验管环A 厂家B 1219 17.5 试验管环B 厂家C 1219 17.5 试验管环C 厂家D 1219 17.5 试验管环D

在各试验管环两侧加工坡口后，按照图1所示将所有试验管环通过环焊作 业进行连接，得到试验管段，随后在试验管段的两端面焊接堵头，并在试验管 段对应位置焊接进液口、进气口和出气口，将集成传感器放入试验管段内腔， 并进行密封，最后完成集成仪表及控制装置的连线。

试验时，先通过进气口向封闭的试验管环系统内充入拟通过中缅天然气管 道输送的特定气质，通过集成传感器对封闭的试验管环系统内的介质参数进行 监测以便实时调节，模拟真实管道运行时的环境参数，待压力和温度达到试验 预定要求时，停止介质充入，封闭试验管环系统，并开始试验，试验过程中， 通过集成仪表及控制装置对封闭的试验管环系统内的介质参数进行监测并实时 调节。

试验达到预定时间周期后，通过出气口对封闭的试验管环系统内的介质进 行泄压，随后对试验管环进行拉伸、冲击等力学性能试验，也可进行组织研究， 然后与管材在试验前的性能或组织情况对比分析，以评估输送介质对管道用管 材的适用性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。