輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置的制造方法
【專利說明】輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于爆炸切割領(lǐng)域，涉及一種用于輸氣鋼管切割的裝置，具體是一種 輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 天然氣是一種清潔能源，也是一種易燃、易爆的危險(xiǎn)介質(zhì)，高壓天然氣管道一旦長 程開裂將造成巨大災(zāi)難和損失，因此必須保證管道的安全性。為了提高管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性， 天然氣管道的發(fā)展趨勢是高壓、大口徑、大壁厚、大輸量，采用的鋼管也隨之向高鋼級(高強(qiáng) 度級別)方向發(fā)展。天然氣管道用管線鋼管近年來發(fā)展非?？?，X70級別鋼管在西氣東輸一 線成功應(yīng)用，西氣東輸二線管道工程大規(guī)模采用X80級別的鋼管。目前正在積極研發(fā)X90、 X100等高級別管線鋼的工程應(yīng)用問題。
[0003] 隨著管線鋼的鋼級、管徑和設(shè)計(jì)系數(shù)不斷提高，高壓天然氣管道一般呈延性斷裂 特征。管材的止裂韌性是材料抵抗延性裂紋擴(kuò)展能力的度量，需合理預(yù)測和規(guī)定管線鋼的 韌性指標(biāo)。一旦管道發(fā)生了延性斷裂，材料本身的止裂能力能夠?qū)嗔训拈L度控制在一定 范圍內(nèi)。所謂恰當(dāng)?shù)匾?guī)定管道的止裂韌性要求，是指材料所具有的韌性，既能最大限度地容 忍初始缺陷，又能在延性斷裂裂紋萌生后止裂，同時(shí)又能滿足批量生產(chǎn)管材的經(jīng)濟(jì)性要求。
[0004] 對于天然氣管線的母材止裂韌性要求值，國際上進(jìn)行了大量的研究，得到了許多 止裂韌性預(yù)測方法。但對現(xiàn)代高強(qiáng)高韌管線鋼管(X80及以上），已有的止裂預(yù)測方法存在局 限性，已經(jīng)不能正確反映這種高強(qiáng)韌性材料的止裂性能，因此全尺寸氣體爆破試驗(yàn)成為確 定管線鋼止裂韌性最為可靠的方法。
[0005] 輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)基本原理是，在試驗(yàn)段中間放置低韌性鋼管作為啟 裂管，啟裂管兩側(cè)排列試驗(yàn)管，常采取韌性由低到高的方式排列，也可采取等韌性方式排 列，通過線性聚能切割裝置在啟裂管引入初始裂紋進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中通過專用儀 器采集所有信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
[0006]線性聚能切割裝置，也稱為聚能裝藥，藥型罩呈楔形，是利用聚能裝藥原理制成的 一種帶有金屬藥型罩的線性裝藥。其原理是：當(dāng)炸藥爆炸后，藥型罩受到炸藥爆炸后所形成 高溫高壓的爆轟產(chǎn)物的作用時(shí)，其內(nèi)壁的金屬在對稱平面擠出一塊向裝藥底部高速運(yùn)動(dòng)的 金屬射流，與目標(biāo)發(fā)生作用并對其進(jìn)行切割。聚能爆炸切割技術(shù)具有高速、高效、操作方便 且不受環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)。線性聚能切割裝置主要應(yīng)用于民用爆破、拆彈、切割以及軍事和航 天領(lǐng)域?，F(xiàn)今對聚能切割技術(shù)的研究已經(jīng)趨于成熟，一般是根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)制造出恰當(dāng) 的線型聚能切割器。在使用中，將線型聚能切割器安放在目標(biāo)物體上，以用于切割。 【【實(shí)用新型內(nèi)容】】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種輸氣鋼管全尺寸氣體 爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，該裝置主要應(yīng)用于輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)，將其安放在 啟裂鋼管上方中心部位，引入一定長度的貫穿鋼管壁厚的裂紋，保證全尺寸氣體爆破試驗(yàn) 順利實(shí)施。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] 輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，包括外殼，外殼的底部設(shè)置錐形 的藥型罩;外殼和藥型罩所圍成的內(nèi)腔為用于安放炸藥的炸藥倉，炸藥倉的截面為倒V型； 所述藥型罩的壁厚小于外殼的壁厚;藥型罩頂端的錐角為40°~110°;外殼上方中心處安裝 用于起爆的電雷管，并通過遠(yuǎn)程遙控引爆;外殼通過卡具安裝在被切割目標(biāo)上。
[0010] 本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0011]所述外殼的厚度為2mm，藥型罩的厚度為1.5mm。
[0012]所述外殼和藥型罩均由紫銅制成。
[0013] 所述藥型罩的錐角為100°。
[0014] 所述外殼的長度為500mm。
[0015] 所述炸藥倉中填充的炸藥量為100g~300g，裝藥線密度為300g/m。
[0016] 所述藥型罩的底面與被切割目標(biāo)之間的間隙為4~8_。
[0017] 所述外殼的底部兩端呈水平設(shè)置。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果：
[0019] 本實(shí)用新型輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，以實(shí)現(xiàn)在全尺寸氣體 爆破試驗(yàn)的啟裂鋼管上方中心部位引入一定長度的貫穿型初始裂紋，保證全尺寸氣體爆破 試驗(yàn)順利實(shí)施。使用時(shí)，將本實(shí)用新型的線型聚能切割裝置安放在到啟裂鋼管上，采用線起 爆方式，通過遠(yuǎn)程遙控電雷管引爆。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的聚能切割裝置安全性較好，切割效率 較高。本實(shí)用新型適用于16.3mm厚的X80-X100管線鋼，確保在全尺寸氣體爆破試驗(yàn)的啟裂 鋼管上方中心部位引入長為500mm的貫穿型初始裂紋。引入的貫穿型初始裂紋尖端比較尖 銳，裂紋寬度比較窄，不超過1〇_。
[0020] 進(jìn)一步的，本實(shí)用新型外殼厚度比藥型罩的厚度大，能夠形成溫度的射流，增加炸 藥沖擊壓力的作用時(shí)間。
[0021] 進(jìn)一步的，本實(shí)用新型藥型罩的錐角選用合適的100°，聚能角度合適，射流破甲性 能穩(wěn)定，能夠增加破甲深度。
[0022]進(jìn)一步的，本實(shí)用新型外殼長度選擇500mm，能夠在鋼管上切割500mm長的貫穿型 初始裂紋，裂紋尖端尖銳，裂紋寬度較窄，不超過l〇mm，完全適用于壁厚為16.3mm的X80- XI00管線鋼的爆破試驗(yàn)用。
[0023] 進(jìn)一步的，本實(shí)用新型底部兩端呈水平，這樣便于切割裝置在管線上的安放，中間 空隙便于裝藥。 【【附圖說明】
】
[0024] 圖1為本實(shí)用新型的截面圖。
[0025]其中：1為外殼;2為炸藥倉;3為藥型罩。 【【具體實(shí)施方式】】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0027] 參見圖1，本實(shí)用新型主要包含三部分:外殼1，炸藥倉2和藥型罩3,外殼和藥型罩 均采用紫銅，外殼厚度為2mm，藥型罩厚度為1.5mm。外殼厚度比藥型罩的厚度大，這樣可增 加炸藥沖擊壓力的作用時(shí)間；藥型罩錐角α為40~110° ;聚能切割裝置長度為500mm;炸藥采 用耐熱高爆速的黑索今(RDX)和少量TNT(TNT的含量不超過5%)，炸藥量為150g，其體積小， 攜帶方便，耐熱且爆炸速度高，切割效率和效果較好。炸高范圍為2~8mm;采用中間線起爆， 通過遙控的方式，將電雷管引爆。本實(shí)用新型底部兩端呈水平，便于切割裝置在管線上的安 放，中間空隙便于裝藥。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)在壁厚為16.3mm的高級別管線鋼(X80-X100)上 引入500mm長的貫穿型初始裂紋，裂紋尖端尖銳，裂紋寬度較窄，不超過10mm。本實(shí)用新型在 管線鋼上方中間部位，電雷管安放在線性聚能切割裝置上方中間部位，通過遙控方式引爆， 安全性較好。
[0028]本實(shí)用新型的原理：
[0029] 大部分輸氣管線是埋藏于地下，長期受到土壤介質(zhì)的侵蝕作用，導(dǎo)致輸氣鋼管上 產(chǎn)生一些微裂紋等缺陷。當(dāng)裂紋尺寸小于臨界裂紋尺寸時(shí)，裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展；只有當(dāng)裂紋 尺寸大于臨界裂紋尺寸時(shí)，裂紋才會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。
[0030] 管線上臨界裂紋尺寸計(jì)算公式如下：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，r為管線鋼的外半徑，t為管線鋼的壁厚，p為管線鋼的運(yùn)行壓力，(^為管線鋼 的流變應(yīng)力，〇11為管線鋼的環(huán)向應(yīng)力，(^為管線鋼的屈服強(qiáng)度，C為裂紋長度的一半，MT為鼓 脹因子。
[0037] 表1為貫穿型裂紋臨界尺寸(2C)理論計(jì)算結(jié)果，對于不同級別的管線鋼，其貫穿型 裂紋臨界尺寸一般都在300mm以下，采用線性聚能切割裝置引入500mm長的貫穿型初始裂紋 完全能夠滿足試驗(yàn)需要。
[0038] 表1貫穿型裂紋臨界尺寸(2C)理論計(jì)算結(jié)果
[0039]
[0040]
[0041] 針對壁厚為16.3mm的X80-X100管線鋼，線性聚能切割裝置的主要參數(shù)如下：
[0042] (1)外殼與藥型罩:聚能切割器的殼體不僅為炸藥和藥型罩提供保護(hù)作用，而且殼 體質(zhì)量可增加炸藥沖擊壓力的作用時(shí)間，從而增加傳遞給藥型罩的總能量，對射流的侵徹 能力起著積極的作用。外殼與藥型罩的材料特性對聚能射流的形成和運(yùn)動(dòng)有直接的影響。 應(yīng)選用熔點(diǎn)高、密度大、動(dòng)態(tài)塑性好和延性好的材料制造。本實(shí)用新型采用紫銅作為制作外 殼和藥型罩的材料。紫銅具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，有良好的加工性能、導(dǎo)熱性、延展性 和耐蝕性。
[0043] (2)外殼與藥型罩的厚度:罩體太薄，射流質(zhì)量小，不穩(wěn)定，甚至不能形成射流;罩 體太厚，罩體在被壓垮變形時(shí)吸收的能量較大，使射流速度變小。本實(shí)用新型的外殼厚度為 2_，藥型罩厚度為1.5_。外殼厚度比藥型罩的厚度大，這樣可增加炸藥沖擊壓力的作用時(shí) 間。
[0044] (3)藥型罩的錐角α :錐角α太小，則聚能角度太小，射流破甲性能很不穩(wěn)定;破甲性 能很不穩(wěn)定;錐角α太大，則金屬射流形成和運(yùn)行過程中發(fā)生變化，破甲深度減小。藥型罩的 錐角α通常是40~110°，本實(shí)用新型的藥型罩的錐角α為100°。
[0045] (4)線性聚能切割裝置的長度:為保證全尺寸氣體爆破試驗(yàn)順利實(shí)施，需在啟裂鋼 管上方中心部位通過線性聚能切割裝置引入一定長度的貫穿型初始裂紋。全尺寸氣體爆破 試驗(yàn)需要引入500mm長的貫穿型初始裂紋，本實(shí)用新型的線性聚能切割裝置長度為500mm。
[0046] (5)炸藥:炸藥是聚能破甲的能源，炸藥爆炸后把能量傳遞給藥型罩，藥型罩在軸 線方向閉合形成射流，對目標(biāo)進(jìn)行侵徹切割。而炸藥的爆壓是影響破甲深度的最主要因素， 爆壓主要是由爆炸速度和密度決定，并存在以下關(guān)系：
[0047]
[0048]式中:P為裝藥密度，D為爆炸速度。
[0049] 適合聚能裝藥的炸藥，應(yīng)滿足以下條件：
[0050] 1)有良好的工藝性能和較低的機(jī)械感度；
[0051] 2)有較高的爆壓和爆速；
[0052] 3)有較好的安全性能。如不分解放出腐蝕氣體，不吸濕等。
[0053]本實(shí)用新型采用裝藥密度較小的黑索今(RDX)和少量三硝基甲苯(TNT)作為聚能 裝藥，TNT的含量不超過5%。黑索金又名為旋風(fēng)炸藥，化學(xué)式(CH2NN02)3,無色晶體，熔點(diǎn)為 200°C，是一種爆炸力很強(qiáng)的環(huán)狀硝基，而且起爆容易，耐熱，高爆速，是綜合性極佳的炸藥。 炸藥量通常為100-300g，本實(shí)用新型所用的炸藥為150g，裝藥線密度為300g/m本實(shí)用新型 的炸藥的爆炸速度達(dá)到7800m/s。
[0054] (6)炸高:是指聚能炸藥包的底部（即藥型罩底面)與被切割目標(biāo)之間的間隙。一方 面隨著炸高的增加，能使射流拉長，從而提高穿孔和切割深度;另一方面，隨著炸高的增加， 射流會(huì)產(chǎn)生徑向分散和斷裂趨勢，使穿孔深度降低。每種聚能切割裝置都有一個(gè)最佳炸高。 本實(shí)用新型的線性聚能切割裝置炸高的范圍為6±2_。
[0055] (7)啟爆方式:聚能切割裝置的起爆方式主要有三種，線起爆、端部點(diǎn)起爆、端部面 起爆。本實(shí)用新型將線性聚能切割裝置安放在啟裂管上方中心部位，1發(fā)8號電雷管安放在 聚能切割裝置上方中心部位，采用中間點(diǎn)起爆方式，通過遠(yuǎn)程遙控引爆。
[0056] 實(shí)施例：
[0057] 2014年10月27日，管研院輸送管與安全評價(jià)研究所和有關(guān)單位合作在江蘇省東臺 市成功進(jìn)行了 X90直縫埋弧焊鋼管的單管全尺寸氣體爆破實(shí)驗(yàn)。這是國內(nèi)首次進(jìn)行的大口 徑輸送鋼管全尺寸氣體爆破實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)鋼管外徑為1219mm，長度為12m，壁厚為16.3mm。試驗(yàn) 壓力為12MPa，加壓介質(zhì)為空氣。
[0058] 全尺寸氣體爆破試驗(yàn)是將線性聚能切割裝置安放在鋼管上方中心部位，采用遙控 電雷管引爆。使用時(shí)，將本實(shí)用新型的線型聚能切割裝置安放到啟裂鋼管上，電雷管安放在 線性聚能切割裝置上方中間部位，通過遙控方式引爆，安全性較好。引入的貫穿型初始裂紋 符合試驗(yàn)技術(shù)要求，初始裂紋長為500mm，裂紋尖端比較尖銳，裂紋寬度比較窄，不超過 1〇_。引入的初始裂紋在管線鋼上迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致輸氣鋼管表現(xiàn)為長程延性斷裂特征。
[0059] 以上內(nèi)容僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí) 用新型權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，其特征在于，包括外殼（1)，外殼（1) 的底部設(shè)置錐形的藥型罩(3)，外殼（1)的底部兩端呈水平設(shè)置;外殼（1)和藥型罩(3)所圍 成的內(nèi)腔為用于安放炸藥的炸藥倉(2)，炸藥倉(2)的截面為倒V型;所述藥型罩(3)的壁厚 小于外殼（1)的壁厚;藥型罩(3)頂端的錐角為40°~110°，藥型罩(3)的底面與被切割目標(biāo) 之間的間隙為4~8mm;外殼（1)上方中心處安裝用于起爆的電雷管，并通過遠(yuǎn)程遙控引爆； 外殼(1)通過卡具安裝在被切割目標(biāo)上，外殼(1)的厚度為2_，藥型罩(3)的厚度為1.5_。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，其特征在于， 所述外殼(1)和藥型罩(3)均由紫銅制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，其特征在于， 所述藥型罩(3)的錐角為100°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，其特征在于， 所述外殼（1)的長度為500mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，其特征在于， 所述炸藥倉中填充的炸藥量為l〇〇g~300g，裝藥線密度為300g/m。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種輸氣鋼管全尺寸氣體爆破試驗(yàn)用聚能切割裝置，包括外殼，外殼的底部設(shè)置錐形的藥型罩；外殼和藥型罩所圍成的內(nèi)腔為用于安放炸藥的炸藥倉，炸藥倉的截面為倒V型；所述藥型罩的壁厚小于外殼的壁厚；藥型罩頂端的錐角為40°～110°；外殼上方中心處安裝用于起爆的電雷管，并通過遠(yuǎn)程遙控引爆；外殼通過卡具安裝在被切割目標(biāo)上。本實(shí)用新型安放在到啟裂鋼管上，采用線起爆方式，通過遠(yuǎn)程遙控電雷管引爆。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的聚能切割裝置安全性較好，切割效率較高。本實(shí)用新型適用于16.3mm厚的X80-X100管線鋼，確保在全尺寸氣體爆破試驗(yàn)的啟裂鋼管上方中心部位引入長為500mm的貫穿型初始裂紋。引入的貫穿型初始裂紋尖端比較尖銳，裂紋寬度比較窄，不超過10mm。
【IPC分類】F42B3/00, F42D3/00, B21D28/00
【公開號】CN205383947
【申請?zhí)枴緾N201521047621
【發(fā)明人】吉玲康, 胡美娟, 李鶴, 閔希華, 劉劍, 黃忠勝, 張偉衛(wèi), 楊坤, 池強(qiáng), 李炎華
【申請人】中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年12月15日