一种能够控制断裂行为的天然气管线及其延性断裂控制方法

摘要

一种能够控制断裂行为的天然气管线及其延性断裂控制方法，该天然气管线由相连通的i-1根运行管以及与第i-1根运行管相连通的一根止裂管构成的管线。根据排列组合的概率统计方法，得到扩展超过i-1根运行管的概率；根据超过i-1根运行管的概率P

说明书

技术领域

本发明属于储运工程领域，具体涉及一种能够控制断裂行为的天然气管 线及其延性断裂控制方法。

背景技术

随着国民经济对天然气日益增长的迫切求，在高压、大输量的背景下， 天然气输送管线在强度级别提高的同时，对韧性的要求也越来越高，再加上 管线钢的服役环境非常恶劣，从而提高了产生裂纹的概率，因此对管线钢安 全运行提出了更高的挑战和要求。在现有TMCP工艺下，通常采用细晶强化的 方式来提高管线钢的韧性。而现有管线钢已经过了超细化晶粒的处理，继续 采用细化晶粒来提高韧性的效果有限。除此之外加入一些合金元素如镍、铜、 钼等，可提升材料的韧性，但合金元素的加入必然会引起材料成本的上升， 同时对焊接工艺也提出了更高的要求。因此大量采用高强度、高韧性的钢管 作为天然气管线的运行管具有成本高、经济性差、焊接难度大等缺点。

传统方法通过改变材料成分、改进生产工艺，可提高钢管韧性的平均值、 增加较高韧性钢管的比例、提高钢管的单管止裂概率，从而达到保障管线运 行的安全的目的。但这种方法在保证钢管强度的同时也要提高钢管的韧性， 需要用到大量高韧性的钢管，成本较高，经济性较差。除此之外，这种方法 是以韧性高于规定值时钢管单管完全止裂的假设为前提，而管道的止裂概率 实际上是要低于预期值，因此存在一定风险和隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够控制断裂行为的天然气管线及其延性断 裂控制方法，该天然气管线具有良好的安全性，其能够获取管线的止裂的概 率和韧性要求，达到控制管线断裂行为的目的。

为了达到上述目的，本发明能够控制断裂行为的天然气管线由相连通的 i-1根运行管以及与第i-1根运行管相连通的一根止裂管构成的管线。

一种基于所述的天然气管线的天然气管线延性断裂控制方法，包括以下 步骤：

1)根据排列组合的概率统计方法，得到扩展超过i-1根运行管的概率P_ni-1， 且P_ni-1＝(i-1)p_a(1-p_a)^i-1+(1-p_a)ⁱ；其中，p_a为运行管的单管止裂概率；i为 运行管和止裂管的总数量；

2)根据超过i-1根运行管的概率P_ni-1和高于运行管材料韧性要求值的运行 管中不能止裂的概率P_c，得到在i-1根运行管内不能止裂的概率P_ni-1+P_c；

3)根据止裂管的单管止裂概率P_b和在i-1根运行管内不能止裂的概率 P_ni-1+P_c得到天然气管线止裂的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)；

4)根据天然气管线止裂的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)对天然气管线的 延性断裂进行控制。

所述的步骤1)中运行管的单管止裂概率pa是根据运行管材料的韧性分布 得到的。

所述的步骤1)中扩展超过i-1根运行管的概率P_ni-1是采用以下方法得到 的：根据排列组合的概率统计方法得到裂纹扩展至第i-1根运行管的概率为： P_i-1＝(i-1)(1-p_a)^(i-1)p_a²，由裂纹扩展至第i-1根运行管的概率 P_i-1＝(i-1)(1-p_a)^(i-1)p_a²得到P_ni-1＝(i-1)p_a(1-p_a)^i-1+(1-p_a)ⁱ。

所述的步骤3)中的止裂管的单管止裂概率P_b是由服从标准正态分布的 查表得到的；其中，为止裂管的韧性均值；σ为标准差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用韧性较好的止裂管与运行管组合使用以达到控制管线断裂行 为，可达到控制管线断裂行为，在一定范围内达到管线自身止裂的目的，具 有较好的经济性和安全性，且容易使用。与传统提高整个管线钢管韧性的方 法相比，本发明在保证天然气管线运行的安全性的同时，减少了高韧性钢管 的数量，可显著节约成本，具有较好的经济性优势。

本发明针对管道建设过程中管线裂纹止裂性能的要求，为运行管及止裂 管的韧性提出要求(钢管韧性分布的平均值)，而根据运行管和止裂管的止裂 概率计算出天然气运行管线的止裂概率，将计算出的天然气运行管线的止裂 概率应用于实际的天然气管线制造中，能够很好的控制天然气管线的延性断 裂，提高了天然气管线的延性断裂控制技术。另外，本发明在管线建设过程 中已知计算规定长度内天然气管线的止裂概率，可通过解方程的方法计算运 行管或止裂管的单管止裂概率，为钢管生产的韧性指标提出要求。本发明还 可以在已知计算规定长度内天然气管线的止裂概率下通过调整止裂管的单管 止裂概率，控制运行管的单管止裂概率(运行管在天然气管线的比例中占主 要)，从而控制生产成本。

附图说明

图1为本发明止裂方案运行管与止裂管组合的示意图；

图2为本发明的实施方式图；

其中，A、运行管，B、止裂管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

钢管的断裂韧性随着管线工艺的改变而变化，而利用表述韧性分布的统 计学参数(平均值及标准差)可以用来统计每条运行管线钢管的韧性分布规 律。在钢管生产过程中，韧性的变化服从正态分布，

参见图1，本发明能够控制断裂行为的天然气管线由相连通的i-1根运行 管A以及与第i-1根运行管A相连通的一根止裂管B构成的管线，这样就能 提高止裂性能。

为了达到自身止裂的目的，本发明还提供了一种基于天然气管线的天然 气管线延性断裂控制方法，参见图2，包括两种钢管韧性分布、止裂概率的计 算、止裂管与运行管组合后止裂概率的计算，考虑了韧性规定值的风险以及 经济性，具体如下：

1)假设超过规定止裂韧性值的钢管在单管内止裂的概率为100％(即止 裂管的止裂概率为100％)，钢管的韧性服从正态分布，则根据排列组合的概 率统计方法，裂纹扩展至第i-1根运行管的概率为：

P_i-1＝(i-1)(1-p_a)^(i-1)p_a²；其中，p_a为超过规定止裂韧性的运行管与钢管 总数的比值，即运行管的单管的止裂概率，是根据运行管材料的韧性分布得 到的；p_a值越大，需要的韧性较高钢管的数量越多，因此在钢管生产中对韧 性的要求越高，成本越高；i为运行管和止裂管的总数量；

因此，扩展超过i-1根运行管的概率为：

$P_{\mathrm{ni}-1}=\underset{i-1}{\overset{+\infty }{\Sigma }}(i-1){(1-p_a)}^{(i-1)}{p_a}^2$

化简后可得：P_ni-1＝(i-1)p_a(1-p_a)^i-1+(1-p_a)ⁱ

2)由于扩展超过i-1根运行管的概率是基于止裂管单管止裂韧性为100％ 的前提，而实际中高于运行管材料韧性要求值的运行管中不能止裂的概率为 P_c，所以本发明能够控制断裂行为的天然气管线不能止裂的概率为P_ni+P_c，但 采取这种止裂方法仍具有一定风险。

由于裂纹需在i根钢管内止裂，因此，在i-1根钢管(运行管)的边沿连 接一根止裂管，形成天然气管线；

假设止裂管的韧性均值为标准差为σ，则服从标准正态 分布，通过查表1可计算止裂管韧性高于规定值的概率P_b。假设钢管高于韧 性规定值不能止裂的概率为P_c，那么i根钢管(由i-1根运行管和一根止裂管 组成)不能止裂的概率为P_ni＝(P_ni-1+P_c)(1-P_b+P_c)，而规定长度范围内i根钢管 止裂的概率为P＝1-(P_ni-1+P_c)(1-P_b+P_c)。

由于运行管以及止裂管的韧性分布与钢管制造过程中的工艺、技术条件 及原料相关，因此通过控制钢管的制造环节可控制钢管的韧性，可提高运行 管、止裂管的单管止裂概率p_a、p_b，从而降低钢管裂纹扩展的失效概率。而 在管线建设设计阶段，若考虑风险，要求管线有一定的自身止裂能力，已知 在规定数量钢管范围内自身止裂的概率为P,则可通过上述方法算出运行管、 止裂管所需的止裂概率p_a、p_b，从而对钢管制造工艺及钢厂炼钢工艺提出技 术指标要求。根据天然气管线止裂的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)对天然气管 线的延性断裂进行控制。

而标准正态分布函数为$\Phi \left(x\right)=\underset{-\infty }{\overset{x}{\int }}\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{e}^{-\frac{t^2}{2}}\mathrm{dt}=P(X\le x),$其对应的标准 正态分布表如表1所示：

表1标准正态分布表

x 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0 0.5000 0.5040 0.5080 0.5120 0.5160 0.5199 0.5239 0.5279 0.5319 0.5359 0.1 0.5398 0.5438 0.5478 0.5517 0.5557 0.5596 0.5636 0.5675 0.5714 0.5753 0.2 0.5793 0.5832 0.5871 0.5910 0.5948 0.5987 0.6026 0.6064 0.6103 0.6141 0.3 0.6179 0.6217 0.6255 0.6293 0.6331 0.6368 0.6404 0.6443 0.6480 0.6517 0.4 0.6554 0.6591 0.6628 0.6664 0.6700 0.6736 0.6772 0.6808 0.6844 0.6879 0.5 0.6915 0.6950 0.6985 0.7019 0.7054 0.7088 0.7123 0.7157 0.7190 0.7224 0.6 0.7257 0.7291 0.7324 0.7357 0.7389 0.7422 0.7454 0.7486 0.7517 0.7549 0.7 0.7580 0.7611 0.7642 0.7673 0.7703 0.7734 0.7764 0.7794 0.7823 0.7852 0.8 0.7881 0.7910 0.7939 0.7967 0.7995 0.8023 0.8051 0.8078 0.8106 0.8133 0.9 0.8159 0.8186 0.8212 0.8238 0.8264 0.8289 0.8355 0.8340 0.8365 0.8389 1 0.8413 0.8438 0.8461 0.8485 0.8508 0.8531 0.8554 0.8577 0.8599 0.8621 1.1 0.8643 0.8665 0.8686 0.8708 0.8729 0.8749 0.8770 0.8790 0.8810 0.8830 1.2 0.8849 0.8869 0.8888 0.8907 0.8925 0.8944 0.8962 0.8980 0.8997 0.9015 1.3 0.9032 0.9049 0.9066 0.9082 0.9099 0.9115 0.9131 0.9147 0.9162 0.9177 1.4 0.9192 0.9207 0.9222 0.9236 0.9251 0.9265 0.9279 0.9292 0.9306 0.9319 1.5 0.9332 0.9345 0.9357 0.9370 0.9382 0.9394 0.9406 0.9418 0.9430 0.9441 1.6 0.9452 0.9463 0.9474 0.9484 0.9495 0.9505 0.9515 0.9525 0.9535 0.9535 1.7 0.9554 0.9564 0.9573 0.9582 0.9591 0.9599 0.9608 0.9616 0.9625 0.9633 1.8 0.9641 0.9648 0.9656 0.9664 0.9672 0.9678 0.9686 0.9693 0.9700 0.9706 1.9 0.9713 0.9719 0.9726 0.9732 0.9738 0.9744 0.9750 0.9756 0.9762 0.9767 2 0.9772 0.9778 0.9783 0.9788 0.9793 0.9798 0.9803 0.9808 0.9812 0.9817 2.1 0.9821 0.9826 0.9830 0.9834 0.9838 0.9842 0.9846 0.9850 0.9854 0.9857 2.2 0.9861 0.9864 0.9868 0.9871 0.9874 0.9878 0.9881 0.9884 0.9887 0.9890 2.3 0.9893 0.9896 0.9898 0.9901 0.9904 0.9906 0.9909 0.9911 0.9913 0.9916 2.4 0.9918 0.9920 0.9922 0.9925 0.9927 0.9929 0.9931 0.9932 0.9934 0.9936 2.5 0.9938 0.9940 0.9941 0.9943 0.9945 0.9946 0.9948 0.9949 0.9951 0.9952 2.6 0.9953 0.9955 0.9956 0.9957 0.9959 0.9960 0.9961 0.9962 0.9963 0.9964 2.7 0.9965 0.9966 0.9967 0.9968 0.9969 0.9970 0.9971 0.9972 0.9973 0.9974 2.8 0.9974 0.9975 0.9976 0.9977 0.9977 0.9978 0.9979 0.9979 0.9980 0.9981 2.9 0.9981 0.9982 0.9982 0.9983 0.9984 0.9984 0.9985 0.9985 0.9986 0.9986 3 0.9987 0.9990 0.9993 0.9995 0.9997 0.9998 0.9998 0.9999 0.9999 1.0000

若已知规定长度内整管的止裂概率，运行钢管的单管止裂概率，则利用 天然气管线止裂的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)得到止裂管的止裂概率，从而 得到止裂钢管的韧性生产指标；

若已知规定长度内整管(即天然气管线)的止裂概率，止裂钢管的止裂 概率，则利用天然气管线止裂的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)得到运行管的止 裂概率，从而得到运行钢管的韧性生产指标；

若已知运行管的止裂概率，止裂管的止裂概率，则利用天然气管线止裂 的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)得到规定长度内整管的止裂概率。

若已知运行管的止裂概率，止裂管的止裂概率，管线的止裂概率，则利 用天然气管线止裂的概率P＝1-(P_ni-1+P_c)×(1-P_b+P_c)估算钢管在第几根止裂。

下面通过具体示例对本发明作进一步详细说明，以支持本发明所要解决 的技术问题：

实例一：美国DOT49CFR Part 192规定：裂纹应在5-8根钢管范围内止 裂，对应的止裂概率分别应在90％和99％以上。根据battle双曲线法计算得到 的X90单管规定止裂韧性为305J。若使裂纹在8根钢管长度内止裂的概率达 到99％，即i＝8，P＝0.99。设P_c＝0.001，单根运行钢管的止裂概率为50％，则 可计算得到止裂管的止裂概率为p_b＝0.6914，即止裂管韧性高于标准止裂韧 性305J的概率为69.14％。同时根据正态分布规律，假设标准差为30J(受生 产工艺制约)，则可计算止裂管的韧性平均值为320J，从而得到止裂管制造的 韧性指标。

实例二：根据battle双曲线法计算得到的X90单管规定止裂韧性为305J。 若使裂纹在8根钢管长度内止裂的概率达到99％，即i＝8，P＝0.99。设 P_c＝0.001，单根止裂管的的止裂概率为80％，则可计算得到运行钢管的止裂概 率为p_a＝0.4628，即运行管韧性高于标准止裂韧性305J的概率为46.28％。同 时根据正态分布规律，假设标准差为30J(受生产工艺制约)，则可计算运行 管的韧性平均值为290J，从而得到运行管制造的韧性指标。由于运行管的数 量较多，降低运行管的韧性要求则可减少钢管制造的成本，降低管道建设费 用，提高经济效益。

实例三：根据battle双曲线法计算得到的X90单管规定止裂韧性为305J。 设单根止裂管的的止裂概率为75％，运行管韧性高于标准止裂韧性305J的概 率为45％，P_c＝0.001，则裂纹在8根钢管长度内止裂的概率为98.56％。可根 据运行管及止裂管的韧性分布指标确定规定长度内的止裂概率。

实例四：根据battle双曲线法计算得到的X90单管规定止裂韧性为305J。 设单根止裂管的的止裂概率为75％，运行管韧性高于标准止裂韧性305J的概 率为45％，P_c＝0.001，若需要管线止裂的概率为99％，使用运行管与止裂管组 合使用时裂纹能在第9根钢管内止裂。可根据运行管及止裂管的韧性分布指 标及组合管的止裂概率来估算裂纹可在第几根钢管内自身止裂。

本发明提供了一种利用两种不同制造工艺下的天然气输送钢管(较低韧 性分布的运行管及较高韧性分布的止裂管)通过一定的组合方式使得钢管在 一定长度内达到止裂的方法，包括理论推导、计算过程，其有益效果如下所 述：

本发明利用韧性较高的钢管作为止裂管与韧性较低的运行管组合使用， 考虑了高于规定止裂韧性钢管的失效风险，与传统单纯提高单管韧性的止裂 方法相比，可通过改变钢管的止裂韧性可提高规定长度(数量)内钢管的止 裂概率，降低断裂失效风险，提高管道的运行安全。

本发明利用韧性较高的钢管作为止裂管与韧性较低的运行管组合使用， 和传统单纯提高单管韧性的止裂方法相比，不需要大量采用高强度、高韧性 的天然气输送钢管来保证止裂性能，因此可显著的减少提高钢管韧性所需的 采购成本和技术难度，从而提高天然气输送管道建设经济效益。

本发明利用韧性较高的钢管作为止裂管与韧性较低的运行管组合使用， 实施起来简单易行，利于实际工业应用。