近年來由于油氣管道環焊縫開裂事故時有發生,該類事故在造成重大經濟損失的同時對周邊人員安全及環境造成嚴重威脅,油氣輸送管道環焊縫安全問題也越來越受到廣泛關注與重視。
由于建設初期焊接技術水平限制和現場施工質量等問題,國內部分管道投產運行后存在未熔合、未焊透、裂紋、填充不足、過渡打磨等環焊縫缺陷[1,2],此類缺陷大多產生于管道內表面,其應力集中程度高,極大地削弱了管道的承載能力,為管道安全運行帶來風險。如何有效地治理環焊縫缺陷是各管道管理單位關注的重點。目前,國內針對環焊縫缺陷最常見的缺陷修復方法有B型套筒、鋼質環氧套筒、增強纖維復合材料、換管。其中換管經濟成本極高且需進行停輸處理,直接影響管道正常運營,不到萬不得已一般不會采取換管方式;B型套筒涉及到在役管道的焊接作業,安全風險較大,特別是對于高等級鋼應慎重選擇。目前油氣管道環焊縫缺陷帶壓免焊修復應用最為廣泛的是增強纖維復合材料與鋼質環氧套筒技術。本文開展了鋼質環氧套筒的靜水壓測試、循環壓力測試及應力數據的試驗分析,通過數據建模與實驗測試,為鋼質環氧套筒現場實際應用提供指導性意見。
1.鋼質環氧套筒修復機理
現場使用時首先將鋼質套筒安裝在缺陷部位,然后將鋼質套筒兩端環向縫隙部位用密封材料封閉,最后在鋼質套筒與管道之間間隙完全灌注填充改性環氧類高強度灌注料,填充材料完全固化后與鋼質套筒形成整體加強層。
鋼質環氧套筒主要由鋼質套筒、高強度灌注料及配套高強螺栓組成,可用于內/腐蝕、裂紋、凹陷、金屬損失、焊縫異常等缺陷的補強修復。
2.靜水壓/循環壓力波動測試
(1)試驗管情況
壓力測試試驗管為某管道公司現場換管切下的含環焊縫缺陷管共兩根,分別標示為1#管和2#管,1#管環焊縫不做修復處理。2#管環焊縫進行鋼質環氧套筒修復。試驗管長度為3.7米左右,管徑為φ813mm,材質為X70。
(2)測試方案
①壓力測試前對1#、2#管段含缺陷環焊縫進行無損檢測,用以確定缺陷類型及尺寸。
②裸管靜水壓測試
對未做修復的試驗管件進行靜水壓測試,靜水壓測試采用逐級加載法進行,試驗壓力先升至1MPa再逐級升壓,每級加載量1MPa直至6.3MPa,其中6.3MPa為某管道公司管道最大運營壓力,在各壓力節點下保壓100秒并測試各壓力節點下的各測點應力值。
③套筒修復后靜水壓測試
靜水壓測試采用逐級加載法進行,試驗壓力先升至1MPa再逐級升壓,每級加載量1MPa直至13MPa,在各壓力節點下保壓100秒并測試各壓力節點下的各測點應力值,其中根據某管道公司提供的信息該換管管道最大運營壓力為6.3MPa,最大試壓壓力為9.45MPa,13MPa為極限壓力。
④套筒修復后循環壓力波動測試
根據某管道公司提供的一年內管道壓力波動數據制定循環壓力波動測試方案為:第一階段峰谷4.5-3.3MPa循環20次;第二階段峰谷4.8-3.6MPa循環35次;第三階段峰谷5.8-4.8MPa循環65次;第四階段6.3-5.7MPa循環100次,并測試各壓力節點下各測點應力值。
(3)試驗結果分析
①無損檢測結果
②靜水壓測試結果分析
本文以選取未熔合缺陷進行靜水壓測試結果分析,從環向和軸向兩個方面驗證鋼質環氧套筒的修復效果。
A.環向修復效果分析
由圖4可知,未熔合缺陷X1、X2在補強前環向應力正常運營壓力6MPa、最大試壓壓力9.45MPa時,應力值未達到管道屈服壓力,但X2在9.45MPa時,接近屈服強度,在極限壓力13MPa時,根據測試數據推算未熔合缺陷X2已發生屈服,X1接近屈服點。
未熔合缺陷X2在鋼質環氧套筒修復后環向應力正常運營壓力6MPa、最大試壓壓力9.45MPa、極限壓力13MPa下均被鋼質環氧套筒抑制在屈服點以下。因此證明鋼質環氧套筒修復技術對未熔合缺陷環向應力具有一定程度的抑制作用,即在環向上具有一定修復效果。
為了量化鋼質環氧套筒對未熔合缺陷環向上修復效果的程度,將補強后應力下降百分比定義為補強百分比[(修復前應力-鋼質環氧套筒修復后應力)/修復前應力],用以表征鋼質環氧套筒修復效果,將未熔合缺陷環向補強百分比數據整合,如圖5所示:
由圖5可知鋼質環氧套筒對未熔合缺陷環向補強百分比達47.75%,也就是說鋼質環氧套筒修復未熔合缺陷后,使未熔合缺陷環向應力下降47.75%比例,可見鋼質環氧套筒對未熔合缺陷的環向修復效果明顯。
B.軸向修復效果分析
由圖6可知,未熔合缺陷X1、X2在補強前軸向應力正常運營壓力6MPa、最大試壓壓力9.45MPa、極限壓力13MPa時應力值均未達到管件屈服壓力。
未熔合缺陷X2在鋼質環氧套筒修復后軸向應力正常運營壓力6MPa、最大試壓壓力9.45MPa、極限壓力13MPa下均明顯低于修復前的應力值,說明鋼質環氧套筒對未熔合缺陷在軸向上具有一定修復效果。
為了量化鋼質環氧套筒對未熔合缺陷軸向上修復效果的程度,將補強后應力下降百分比定義為補強百分比:
用以表征鋼質環氧套筒修復效果,將未熔合缺陷軸向補強百分比數據整合,如圖7所示:
由圖7可知鋼質環氧套筒對未熔合缺陷軸向補強百分比達38.86%,也就是說鋼質環氧套筒修復未熔合缺陷后,使未熔合缺陷軸向應力下降38.86%比例,可見鋼質環氧套筒對未熔合缺陷的軸向修復效果明顯。
③循環壓力波動測試結果分析
A.環向修復效果分析
為了研究實際運營壓力在波動情況下鋼質環氧套筒對未熔合缺陷環向修復效果,將檢測出的未熔合缺陷修復前、后的應力數據進行整合。如圖8所示:
由圖8可知,補強前未熔合缺陷X2在11.20MPa達到屈服點,模擬運營波動壓力下鋼質環氧套筒修復后X2在13MPa極限壓力下未熔合環向應力仍遠低于屈服線,因此證明模擬運營波動壓力下鋼質環氧套筒對未熔合缺陷環向應力具有一定抑制效果,即具備一定修復效果,與靜水壓測試結論一致。
對比靜水壓與模擬運營波動壓力下缺陷X2的測試數據,兩者僅存在微小差異,在測試誤差范圍內,這也說明鋼質環氧套筒在靜水壓與模擬運營波動壓力下具備相同修復效果。
B.軸向修復效果分析
由圖9可知,未熔合缺陷X2修復前后在極限壓力13MPa下軸向方向均為達到屈服線,模擬運營波動壓力下鋼質環氧套筒修復后在各壓力節點下均明顯低于修復前X2未熔合缺陷,因此證明模擬運營波動壓力下鋼質環氧套筒對未熔合缺陷軸向應力具有一定抑制效果,即具備一定修復效果,與靜水壓測試結論一致。
對比兩圖靜水壓與模擬運營波動壓力下未熔合X2缺陷測試數據,兩者僅存在微小差異,在測試誤差范圍內,這也說明鋼質環氧套筒在靜水壓與模擬運營波動壓力下具備相同修復效果。
(4)小結
根據靜水壓測試及循環壓力波動測試,對于鋼質環氧套筒修復未熔合缺陷可得出以下結論。
①鋼質環氧套筒修復后可使環焊縫未熔合缺陷環向及軸向應力明顯下降,證明鋼質環氧套筒對環焊縫未熔合缺陷修復效果明顯。
②靜水壓下和循環壓力波動下,鋼質環氧套筒修復后的環焊縫未熔合缺陷應力值基本保持一致,說明鋼質環氧套筒修復環焊縫未熔合缺陷的應力水平作用穩定,不隨壓力波動變化。
3.結束語
本文通過對比鋼質環氧套筒修復前后環焊縫缺陷擴展情況,表明鋼質環氧套筒可有效抑制環焊縫平面型擴展缺陷,并通過靜水壓測試、壓力波動測試與應力數據分析,量化鋼質環氧套筒對環焊縫缺陷的修復效果程度,根據本文研究,鋼質環氧套筒對于油氣輸送管道環焊縫平面型缺陷具有顯著的修復效果。
摘要：結合我國現有的油氣管道環焊縫缺陷補強修復技術,本文選取了環氧套筒作為環焊縫缺陷的修復方式,通過靜水壓測試、循環壓力測試并結合應力數據分析驗證環氧套筒修復效果,測試可知,修復未熔合缺陷后,未熔合缺陷軸向應力下降38.86%,模擬運行波動壓力下鋼質環氧套筒對未熔合缺陷環向應力具有一定抑制效果,為環焊縫缺陷修復提供參考。
關鍵詞：環焊縫,環氧套筒,靜水壓測試,循環壓力測試,應力
參考文獻
[1] 趙金蘭,雷俊杰,王高峰,等.油氣輸送管道對接環焊縫缺陷軸修的檢測分析[J].焊管,2013,36(11):34-47.
[2] 李謙益,逯燕玲,朱建國.油氣輸送管道的焊接施工質量控制[J].焊接技術,2004,33(3):63-65.