分析天然气管道动态断裂参数与裂纹速度的关系

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【摘要】随着现代社会的发展，各种自然资源的运用越来越广泛，它们出现在生活的方方面面，家居、工业等等，天然气就是一种用途广泛的资源之一。天然气给人们带来方便的同时，也不可避免的有不安全因素的潜伏，只有搞清楚天然气所需设备的相关因素，才能尽可能地降低对人民生命安全，健康，财产等造成的损失。

【关键词】天然气 输气管道 管道断裂 管道裂纹速度

现代社会，人民在享受着天然气带来的优惠的同时，必然也要承受因为天然气事故带来的痛苦损失，诸如管道爆炸等方面。而天然气输送管道的大部分事故都是因为管道上有裂纹，而且管道上的裂纹高速向周围扩展，因而导致管道爆炸，天然气外泄，造成极大的损失。

通过调查研究不难发现，实际管道中的裂纹开裂扩展是一个动态的过程，这个动态的过程可以用裂纹扩展所需要的驱动力的大小来衡量，驱动力是产生速度的关键性因素。研究天然气管道动态断裂与裂纹速度的关系也就是了解天然气管道动态断裂与裂纹扩展驱动力的关系。

1 动态裂纹速度的计算

学过物理的人都知道，速度的变化是因为力的作用，动能的变化必然伴随着能量的转化，因此，计算出动态裂纹扩展的驱动力也就不难计算动态的裂纹速度。

按照力学的基本理论，在裂纹扩展的过程中，管壁受内部压力的作用以及动态应力强度分子。

驱动力包括以下几种不同的作用：一种是作用在物体上的功、物体的功能和应变能等部分。外力作用对单位面积的裂纹扩展的变化即动态能量释放率，还有裂纹尖端的张开角都可以为裂纹的继续扩展提供动力。

通过调查研究可以发现，对于那些非常慢和非常快的裂纹扩展速度，其驱动力和中速的裂纹扩展的驱动力都比较小。对于那些速度慢的管道来说，它的驱动力减弱主要是因为内部气体减压，裂纹后面的气体迅速溢出；而对于那些速度快的管道来说，主要原因是：更多的外力功转化为结构本身的惯性力，只会加快它的速度，对于它本身的管壁并没有破坏作用，耗散了裂纹驱动能量。由此可见，当裂纹中速扩展的时候，天然气管道动态断裂随着裂纹速度的增加而缓慢提高。

2 天然气管道裂纹的扩展

同样利用力学的观点，裂纹的动态扩展也存在一个极限速度。裂纹的扩展分为稳定扩展与非稳定扩展两种情况。在现实中的管道中，裂纹的扩展过程中肯定会受到阻力作用。由于阻力作用的存在，裂纹的速度下降，相关实验证明：裂纹的扩展速度下降300m/s，裂纹仅会扩展几十米，大大降低了社会损失。

那么，怎样才能有效的控制裂纹的失稳扩展，减轻甚至避免一些不必要的，可避免的经济损失？这个问题引起广泛关注。到目前为止，社会主要是从工程的安全控制方面着手，相继采用了两种控制管道断裂的方式：起裂控释和止裂控制。起裂控制主要是通过控制裂纹的临界尺寸，达到不产生失稳扩展的目标，这种控制技术允许裂纹缓慢而有限度的扩展。止裂控制主要是在裂纹发生失稳扩展或者是快速扩展但是还没有造成严重损害结构之前提前一直裂纹的扩展，从而可以有效的避免灾害性事故的发生，因此，这种方式被视为断裂事故的第二道防线，得到广大群体的热切关注以及相关部门、技术的广泛应用。但是这种控制方法也有不足，他要求技术工作者必须知道结构材料的抵抗裂纹动态断裂的能力，描述动态裂纹场的特征参数等相关的技术内容。

3 动态裂纹扩展的影响因素

其实裂纹速度只是天然气管道动态断裂的其中一个因素，除此之外，影响动态裂纹扩展的因素有很多，比如裂纹扩展时的应力波、材料性能、管道运行条件等等。前面也提到过分析管道断裂与裂纹速度的关系可以通过研究管道断裂与裂纹驱动力的关系。那么，影响裂纹驱动力变化的原因有哪些呢？

（1）管道的内压影响裂纹驱动力。管道内压可以直接影响裂纹的扩展，随着管道内压值的升高，能量释放率越小，由此可见，增大管道的输气压力会大大增加管道爆裂的危险性。

（2）管道壁厚影响裂纹驱动力。增加管道的壁厚可以有效的抑制管道裂纹的扩展。

（3）止裂长度也可以影响到裂纹驱动力。相关的实验数据说明裂纹的扩展驱动力越大，止裂长度也会越长。

（4）最大裂纹速度的影响。最大裂纹速度越大，最大裂纹尖端张开角也就越大即裂纹的驱动力越大，止裂也就越困难。

分析裂纹扩展的动态，可以通过研究裂纹扩展的速度、加速度、裂纹尖端动态应力强度因子以及动态能量释放率的变化规律以及他们之间的关系。动态断裂力学参数一直都是工程设计家们关注的重要研究内容之一。动态的应力强度因子更是科研工作者的密切关注的热点之一，它可以反映材料的动态断裂韧性，所以，实验断裂力学是研究动态断裂参数的重点。通过全尺寸试验数据和小零件实验确定材料的断裂韧性，采用一些减速的措施和节力点释放技术，模拟天然气管道动态断裂的全过程，研究天然气管道的裂纹扩展速度与管道动态断裂参数之间的关系。

其实，通过实验数据的研究，我们不难得到以下结论：

（1）保持其他条件不变，管道内压越大，相应的管道裂纹驱动力越大，裂纹越不容易抑制，天然气管道的危险性越大；

（2）在适当的范围内，随着管壁厚度的不断增加，裂纹驱动力逐渐减小，越有利于管道裂纹的止裂；

（3）对于一定材料的管道来说，随着止裂长度的增加，裂纹尖端张开角也随着增大，裂纹越不容易止裂；

（4）对于一定的管道而言，最大裂纹速度越高，裂纹越不容易止裂。

管道在焊接过程中也不可避免的产生了各种各样的缺陷。比如，焊接热裂纹，它是在金属凝固或者高温的时候形成的，大部分裂纹都在金属内的交界处；焊接冷裂纹，这种裂纹大部分都在热影响区域或者是在融合线处，如果是多层焊接，就会出现在焊缝上；热裂纹，这种管道裂纹总是出现在焊接后重新受到高温的情况下产生的，一般都发生在焊接接头热影响区的融合线附近的粗晶之中；层状撕裂裂纹，此列文在低温时开裂，而且全部产生于热影响区。当然，产生了这些缺陷，一定会有更好的方法对策，比如焊前准备与管口净化；分散不利因素；管口预热及焊接规范；确定焊接的层数和线数量等等，都可以经济有效的避免危险因素的存在。

4 结语

随着现代科技的不断进步，人们对生活的需求越来越多，天然气逐渐渗入广大人民群众的方方面面，在世界各国的能源构成中，天然气所占的比重日益增加，工程们首先要面对的难题就是：要把天然气，经济、安全的从产地运送到消费市场。迄今为止，国际上大部分国家都采用了大口径钢制管道高压输气，而管道在焊接的过程中，也会不可避免的产生一些缺陷。相信，通气管道的未来会越来越好。

参考文献

[1] 张彦华.天然气管道断裂控制技术[J].电焊机，2009，（5）

[2] 张永学.天然气集输管道扩散数值模拟[J].安全、健康与环境，2008，（4）

[3] 潘家华，输气管道的止裂研究[J].焊管，2008，（8）