陶建中 程磊

國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司新疆輸油氣分公司

摘要：為分析纖維復(fù)合材料對管道環(huán)焊縫的補(bǔ)強(qiáng)效果，基于遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測、矯頑力測量技術(shù)對補(bǔ)強(qiáng)前后的環(huán)焊縫分別進(jìn)行應(yīng)力檢測。分析了補(bǔ)強(qiáng)前后應(yīng)力分布和最大應(yīng)力值，考察了纖維復(fù)合材料對管道含缺陷環(huán)焊縫的補(bǔ)強(qiáng)效果。結(jié)果表明，以遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測分析，纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)效果有限；以矯頑力測量分析，各處環(huán)焊縫應(yīng)力明顯降低至許用應(yīng)力值以下，補(bǔ)強(qiáng)效果顯著。

關(guān)鍵詞：管道；環(huán)焊縫；纖維復(fù)合材料；焊縫補(bǔ)強(qiáng)；矯頑力；應(yīng)力

在役管道通過開展環(huán)焊縫全面檢測，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫缺陷部位，采取修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)措施，消減環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。筆者基于遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測、矯頑力測量技術(shù)分析了纖維復(fù)合材料對焊縫的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)效果。

1  纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)主要利用纖維材料的高強(qiáng)度特性，用黏結(jié)樹脂在服役管道外包覆一個(gè)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層，以恢復(fù)含缺陷管道的服役強(qiáng)度。其優(yōu)點(diǎn)是不用進(jìn)行管道焊接，避免焊穿和發(fā)生氫脆、冷脆的可能，極大地降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，并且可以對管道進(jìn)行帶壓修復(fù)，保障管道不間斷運(yùn)行。

2  遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測技術(shù)

2.1  遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測

（1）檢測原理。遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測是針對具有一定埋深的、受地磁場磁化的鐵磁性管道開展的。管道處于微弱的地磁場環(huán)境中，管體局部應(yīng)力狀態(tài)的變化致使其磁化率發(fā)生改變，進(jìn)而引起管道外一定范圍內(nèi)磁場的變化，如圖 1所示。

圖 1 管道局部缺陷的磁場強(qiáng)度變化

遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測是利用金屬磁效應(yīng)來檢測部件應(yīng)力集中部位的快速無損檢測方法，無需對部件表面進(jìn)行處理即可診斷鐵磁性金屬部件的應(yīng)力集中區(qū)、微觀缺陷和損傷等，是無損檢測領(lǐng)域的一種新型檢測手段（圖 2）。

圖 2 遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測現(xiàn)場

（2）遠(yuǎn)場應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級。遠(yuǎn)場應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級如表 1所示。

2.2  焊縫補(bǔ)強(qiáng)效果遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測

對西三線某管段45處缺陷環(huán)焊縫進(jìn)行遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測，其中4處焊縫已完成補(bǔ)強(qiáng)。焊縫補(bǔ)強(qiáng)時(shí)未進(jìn)行管道壓力調(diào)整。

分別進(jìn)行焊縫補(bǔ)強(qiáng)前后應(yīng)力檢測，磁場曲線分布對比示例如圖 3所示，補(bǔ)強(qiáng)前焊縫區(qū)磁場變化量較大，補(bǔ)強(qiáng)后磁場變化量有所降低，表明該處應(yīng)力集中程度有所降低，可見在提高管道許用應(yīng)力的同時(shí)一定程度降低了應(yīng)力集中程度。

圖 3 環(huán)焊縫補(bǔ)強(qiáng)前后遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測結(jié)果示例

焊縫補(bǔ)強(qiáng)前后焊縫區(qū)磁場變化量及風(fēng)險(xiǎn)等級變化如表 2所示。對于焊縫區(qū)磁場變化量較小、風(fēng)險(xiǎn)等級較低的焊縫，補(bǔ)強(qiáng)后磁場變化量有所降低，表明該處應(yīng)力集中程度有所降低，應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級由二級降為一級。但焊縫區(qū)磁場變化量較大、風(fēng)險(xiǎn)等級較高時(shí)，盡管補(bǔ)強(qiáng)后磁場變化量有所降低，但應(yīng)力集中程度仍較高，風(fēng)險(xiǎn)等級仍為三級，補(bǔ)強(qiáng)效果有限。

3  矯頑力測量技術(shù)

3.1  矯頑力與應(yīng)力關(guān)系

矯頑力測量技術(shù)是一種焊縫在線應(yīng)力測試技術(shù)，首先采用目標(biāo)測試管材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力與矯頑力標(biāo)定試驗(yàn)，得到該鋼材矯頑力與應(yīng)力關(guān)系曲線，進(jìn)而在現(xiàn)場開挖焊縫處進(jìn)行矯頑力測量，得到其對應(yīng)的環(huán)焊縫應(yīng)力水平。

利用矯頑力測量儀分別測量X80試件在單向、雙向拉伸狀態(tài)下的矯頑力，同時(shí)使用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變，計(jì)算出對應(yīng)的應(yīng)力，每次從零載荷一直加載到試件拉斷為止，重復(fù)試驗(yàn)10次，通過擬合10次試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到矯頑力與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系。綜合考慮溫度影響，獲得不同拉力加載狀態(tài)下溫度對矯頑力測量的影響。最后通過修正給出圖 4所示該鋼材的標(biāo)定關(guān)系曲線。

圖 4 矯頑力與應(yīng)力關(guān)系曲線

本測試管體鋼材是X80鋼，根據(jù)GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，一級一類地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系統(tǒng)取0.80，西三線符合一級一類地區(qū)，許用應(yīng)力可取公式（1）的應(yīng)力值。

[σ]＝σs F＝555×0.8＝444 MPa         （1）

由圖 4可知，對于X80鋼，矯頑力值在0～10范圍內(nèi)時(shí)，管體處于安全模式，一級一類地區(qū)最大應(yīng)力不超過444 MPa，對應(yīng)矯頑力值應(yīng)不超過10。當(dāng)矯頑力值在10.0至11.5時(shí)，試件處于安全系數(shù)大于1的狀態(tài)，最大應(yīng)力不超過555 MPa。當(dāng)矯頑力值大于11.5（小于16.0）時(shí)，矯頑力與應(yīng)力關(guān)系曲線斜率變大，鋼材進(jìn)入強(qiáng)化階段，處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

3.2  焊縫補(bǔ)強(qiáng)效果的矯頑力測量

基于缺陷焊縫應(yīng)力檢測結(jié)果，采用矯頑力測量儀對西三線某作業(yè)區(qū)初次測量的34處環(huán)焊縫中軸向矯頑力和環(huán)向應(yīng)力較大的10處環(huán)焊縫進(jìn)行纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)前后的應(yīng)力復(fù)測及對比。為確保測試合理和有效，采用統(tǒng)一測點(diǎn)距離和位置，如圖 5所示測點(diǎn)布置。

圖 5 測點(diǎn)位置示意圖

測點(diǎn)位于管道外壁沿管流順時(shí)針方向12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)鐘位置4條母線上，每條母線布置5個(gè)測點(diǎn)，從上游到下游依次編號1－5，其中3號測點(diǎn)位于母線與焊縫的交點(diǎn)處，左右測點(diǎn)對稱分布，每道焊縫測試數(shù)據(jù)量為40個(gè)。每個(gè)測點(diǎn)順序測量軸向、橫向矯頑力，其中，軸向矯頑力反映環(huán)向應(yīng)力水平、橫向矯頑力反映軸向應(yīng)力水平，矯頑力與應(yīng)力呈線性正相關(guān)。

軸向矯頑力和環(huán)向應(yīng)力較大的10處環(huán)焊縫分別進(jìn)行纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)前后矯頑力測量，示例焊縫其各時(shí)鐘及測點(diǎn)位置測量結(jié)果如圖 6所示。圖中紅線為環(huán)焊縫許用應(yīng)力下矯頑力，藍(lán)線為補(bǔ)強(qiáng)前矯頑力，橙線為補(bǔ)強(qiáng)后矯頑力。可見，補(bǔ)強(qiáng)前矯頑力較大，大都超過了許用應(yīng)力下矯頑力，應(yīng)力水平超過了其許用應(yīng)力值，存在高安全風(fēng)險(xiǎn)；補(bǔ)強(qiáng)后應(yīng)力水平均下降到許用應(yīng)力以下，降低了管道安全風(fēng)險(xiǎn)，管道恢復(fù)安全運(yùn)行狀態(tài)。

圖 6 環(huán)焊縫補(bǔ)強(qiáng)前后矯頑力示例

10處環(huán)焊縫纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)前后最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果及數(shù)據(jù)變化如圖 7所示，補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后各處環(huán)焊縫應(yīng)力明顯降低，且均在許用應(yīng)力值以下，最大應(yīng)力變化值﹣410 MPa～﹣170 MPa。可見，纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)可有效降低焊縫處最大應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)效果顯著。

圖 7 10處環(huán)焊縫補(bǔ)強(qiáng)前后最大應(yīng)力數(shù)據(jù)

4  結(jié)論

（1）經(jīng)遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測結(jié)果分析，纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可一定程度降低環(huán)焊縫應(yīng)力水平，對于磁場變化量較小、風(fēng)險(xiǎn)等級較低的焊縫效果比較明顯；對磁場變化量較大、風(fēng)險(xiǎn)等級較高的焊縫未能有效降低風(fēng)險(xiǎn)等級，其補(bǔ)強(qiáng)效果有限。

（2）經(jīng)矯頑力測量結(jié)果分析，纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可有效降低環(huán)焊縫應(yīng)力至許用應(yīng)力值下，補(bǔ)強(qiáng)效果顯著。鑒于軸向矯頑力對應(yīng)的管道環(huán)向應(yīng)力并非環(huán)焊縫的主要風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)踐中需結(jié)合其他指標(biāo)判定焊縫補(bǔ)強(qiáng)效果。

 

作者簡介：陶建中 ，工程師，現(xiàn)任西部管道新疆輸油氣分公司副經(jīng)理，主要從事管道管理工作。

通訊作者：程磊， 工程師， 主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：18195867576，645854208@qq.com。