張豫 陸劍鋒 孫鵬 雷健

四川德源管道科技股份有限公司

 

摘要：本文基于四點彎曲試驗理論，自主研發(fā)大口徑管道全尺寸加載系統(tǒng)，涵蓋內壓和彎矩加載系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)開展管道在內壓、軸力和彎矩組合作用下的全尺寸破壞試驗，研究管線鋼形變行為、含缺陷管道失效模式及修復效果，得到了管道應變分布、變形特征及極限承載力相關數(shù)據(jù)，鋼質環(huán)氧套筒對缺陷管道修復效果明顯。該研究為管道力學行為研究、安全運行保障提供了試驗手段和數(shù)據(jù)支持，但目前相關理論體系和應用方法尚未完善，未來可圍繞管道實際力學響應、復雜服役環(huán)境設計評估技術、新材料彎曲性能及優(yōu)化設計標準等方面進一步研究。

關鍵詞：全尺寸四點彎曲試驗；管道；加載系統(tǒng)；應變；缺陷修復

 

輸油氣管道常采用地面、地下和海底三種敷設方式穿越各種環(huán)境，在運行過程中往往受到各種荷載的聯(lián)合作用，主要包括內壓、軸力和彎矩。一般情況下，管道的失效形式表現(xiàn)為以內壓荷載為主引起的爆破破壞，內壓荷載是確定管道壁厚的控制荷載；管道受滑坡、沉降、地震等土體運動影響時，管道的失效形式表現(xiàn)為以彎矩荷載為主引起的彎曲破壞，此時彎矩荷載成為管道設計的控制荷載[1]。

國內外眾多學者致力于管道安全領域研究，在管道試驗、理論和數(shù)值仿真方面取得了一系列研究成果[2-5]。目前，管道力學試驗主要包括縮尺模型試驗和全尺寸管道試驗兩大類。隨著長輸管道口徑增大、壓力升高、運距變長，更涉及穿跨越等復雜環(huán)境，影響管道安全運行的潛在風險因素逐漸增多，因此模擬管道實際運行狀態(tài)的全尺寸試驗成為了目前國內外公認的最有效的管道研究手段。本文基于四點彎曲試驗理論，自主研發(fā)了適應于大口徑管道復雜荷載的全尺寸管道加載系統(tǒng)，開展了管道在內壓、軸力以及彎矩組合作用下的全尺寸破壞試驗研究，為管道研究提供了試驗手段。

1  全尺寸管道加載系統(tǒng)設計

管道在實際運行中主要承受輸送介質產(chǎn)生的內壓及外部環(huán)境產(chǎn)生的復雜載荷，包括彎曲、拉壓、剪切和扭轉，其中彎曲荷載對管道的作用效應最為明顯。因此，在對管道進行試驗時，通常主要考慮內壓與彎曲荷載。

1.1  全尺寸管道內壓加載系統(tǒng)設計

自主研發(fā)了一套靜水壓測試系統(tǒng)進行管道內壓的加載，最大量程可到70 MPa，且設計了一個保壓閥以保證內壓加載過程的穩(wěn)定持壓（圖 1）。由于管道的工作內壓及極限內壓較低，故多采用水壓進行加載。測試管道一般采用兩端焊接堵頭以形成密閉空間，進而通過壓力注水以實現(xiàn)內壓加載，并通過控制進水量及時間實現(xiàn)靜水壓加載和波動壓力加載兩種方式。

圖 1 內壓加載裝置

1.2  全尺寸管道彎矩加載系統(tǒng)設計

（1）四點彎曲試驗基本原理。借助管道四點彎曲試驗力學簡化模型（圖 2），試驗鋼管在豎向力F的作用下發(fā)生彎曲，使得管道軸線彎曲成曲線。兩支撐支座間的距離即管道長度為 L，加載力臂為 l，兩加載壓頭間的距離即加載間距為 L-2 l。在豎向力 F 作用下，管道受到剪力和彎矩（圖 3）。兩加載壓頭中間段管道不受剪力作用且彎矩保持不變，即純彎曲狀態(tài)；在支座和集中力F之間管道產(chǎn)生均勻的剪力且彎矩線性變化，即彎剪段[6]。

圖 2 四點彎曲模型簡化示意

圖 3 四點彎曲試驗基本原理示意

（2）管道全尺寸四點彎曲試驗裝置。自主研發(fā)適用于大直徑、高鋼級管道彎矩及聯(lián)合荷載的試驗裝置，即管道全尺寸四點彎曲試驗裝置，主要由門式反力架、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，采用垂直布局形式，便于試驗操作（圖 4）。

圖 4 四點彎曲試驗裝置及示意

試驗過程中，鋼管試驗件兩端放置在圓弧形支座上，聯(lián)動液壓缸施加豎向載荷至分配橫梁，橫梁再通過圓弧加載壓頭，作用至鋼管試件，進而形成彎矩加載。

本裝置能夠對試驗鋼管單獨施加內壓、彎矩和軸向力等荷載，或同時施加兩種或多種組合荷載，以模擬管道的真實載荷環(huán)境。裝置中液壓缸施加的最大載荷為10000 kN，加載壓頭可根據(jù)試驗需求進行間距調整，最大間距為7 m�？赏瓿赏鈴�219 mm～1422 mm，長度7 m～30 m的全尺寸管道彎曲試驗。裝置采用電液伺服閉環(huán)測量控制系統(tǒng)，可以進行等速試驗力、等速試驗位移控制，在試驗過程中這兩種控制方式可以平穩(wěn)切換，且測量控制系統(tǒng)可以自動采集和記錄管道的載荷、內壓、位移和變形等數(shù)據(jù)。

2  管線鋼形變行為研究

2.1  四點彎曲試驗裝置可靠性驗證

提取試驗管道在內壓P=10 MPa、F=2000 kN作用下的彎矩和剪力分布（圖 5），發(fā)現(xiàn)在支墩和壓頭之間，彎矩分布近似線性斜直線，剪力分布近似水平直線；在兩個壓頭之間，彎矩分布近似水平直線，剪力分布為直線且接近于0 kN。說明在進行四點彎曲試驗過程中，管道內力分布基本滿足圖 3所示的分布規(guī)律，在兩個壓頭之間具備純彎曲條件，與四點彎曲試驗的理論模型相符合，驗證全尺寸四點彎曲試驗裝置具有較高的可靠性。

圖 5 試驗彎矩和剪力分布圖

2.2  管道力學響應及變形行為研究

研究管道在彎矩荷載作用下的力學響應和變形行為，有助于揭示管道在受彎工況下的屈服、失穩(wěn)及破壞機制，為評估管道在地質災害或施工變形條件下的安全性提供依據(jù)，對于理解管道在實際服役過程中的力學響應具有重要意義[7]。因此，開展了管道四點彎曲試驗以研究其力學響應和變形情況。   

進行試驗時，結合多工況荷載作用下管件的受力分析、整體情況、控制截面和加載狀況等，將管件分為跨中截面、純彎段、加載截面、彎剪區(qū)和支座位置。進行測點布置時，在管道各截面上布置應變片以測試管件的局部變形，其中各截面的應變片通常沿截面環(huán)向一圈均勻布置。由于管件在多工況荷載下極易在局部測點產(chǎn)生復雜的應力應變，因此對于特定測點采用由軸向、環(huán)向和45度應變片組成的應變花進行測量（圖 6）。

圖 6 試驗管測點布置示意

對試驗采集的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，試驗過程中管道上部受壓區(qū)軸向應變（圖 7）。試驗初期（圖 7 a），軸向應變基本呈水平直線分布，隨著壓頭位移的增加，部分測點應變急劇增長；進入試驗中期（圖 7 b），各壓頭位移下管道跨中截面的應變明顯高于其他區(qū)域；試驗后期，繼續(xù)增大壓頭位移（圖 7 c），軸向應變分布的突變形態(tài)更加明顯，在﹣750 mm～﹣250 mm區(qū)段產(chǎn)生了極大的應變，結合管道變形情況（圖 8），發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于管道受壓區(qū)局部屈曲所致。

圖 7 試驗管軸向應變分布

圖 8 試驗管受壓區(qū)屈曲形貌

試驗得到了管道在彎矩荷載作用下的應變分布和變形特征，提供了基于應變準則的管道破壞和極限彎矩承載力的計算數(shù)據(jù)。若能夠繼續(xù)進行多批次試驗，還可以評估制造偏差對管道的整體特性和局部特性的影響，同時進一步考慮管道截面橢圓化變形等特征對管道極限承載力的影響。說明開展管道在組合荷載作用下彎曲破壞的試驗研究，可以為評價管道的安全性和可靠性提供重要參數(shù)，對于管道的設計工作具有重要意義。

3  聯(lián)合載荷下缺陷失效模式及修復研究

3.1  含缺陷管道響應分析[8]

鋼管的響應和變形行為受眾多因素的控制，包括鋼管母材的鋼級、塑性指標、管徑以及外形幾何尺寸等因素，同時，管道的各類缺陷對其力學響應同樣會產(chǎn)生顯著影響，如環(huán)焊縫缺陷、裂紋缺陷、未焊透缺陷以及金屬損失缺陷等。對于這類缺陷管道，同樣可使用全尺寸試驗方法進行研究。

以未熔合錯邊環(huán)焊縫缺陷管道為例，對鋼管施加不同內壓荷載，并逐步施加彎矩荷載至試驗管道失穩(wěn)。在管件跨中截面、純彎段、加載截面、彎剪區(qū)和支座位置布置應變片以測試管件的局部變形，應變片同樣沿各截面環(huán)向均勻布置�？紤]到管道的復雜受力狀況，根據(jù)不同測點位置采用了包括軸向應變片、環(huán)向應變片和應變花在內的多種測試裝置進行測量，并且在管道底部還布置了位移計以測量管道變形量。

試驗過程中，管道缺陷截面通過管道上方和下方的軸向應變分布情況（圖 9），可見管道上方受壓，下方受拉，且隨著彎矩和位移的增加，管道截面各測點應變均隨之增大，其中應變最大區(qū)域位于環(huán)焊縫缺陷兩端尖端位置處。該應變分布特點與管道的破壞形式相對應，當管道達到承載力極限時，缺陷自尖端位置撕裂隨后急劇擴展至整個截面（圖 10 a）。結合位移計測量結果（圖 10 b），發(fā)現(xiàn)管道跨中截面的撓度最為明顯，同樣也說明該管道在內壓與彎矩共同作用下，含缺陷的跨中截面為危險區(qū)域。

圖 9 試驗管軸向應變分布

圖 10 試驗管破壞及位移變化

3.2  缺陷修復后管道[9]

當采用鋼質環(huán)氧套筒對缺陷管道進行修復后，按照上述試驗方法又進行了試驗研究，根據(jù)試驗現(xiàn)場及管道跨中區(qū)域的變形情況（圖 11），可見同樣的外部荷載加載下，修復后的試驗管道僅在修復區(qū)外發(fā)生屈曲形變，修復區(qū)保持完好，說明鋼質環(huán)氧套筒對該類缺陷管道的修復效果十分明顯。

圖 11 鋼質環(huán)氧套筒修復含缺陷環(huán)焊縫

對兩種管道的應變進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在聯(lián)合載荷下，未修復管道跨中截面底部出現(xiàn)較大應變，有明顯形變趨勢；而采用鋼質環(huán)氧套筒修復后的管道跨中截面底部應變幅值僅為未修復管道的1/3，而3:00、9:00時鐘位置處的應變僅為未修復管道的1/2。表明修復后管道的應變主要由鋼質環(huán)氧套筒承擔，鋼質環(huán)氧套筒可有效減小聯(lián)合載荷引起的管道變形趨勢，修復效果顯著（圖 12）。

圖 12 含缺陷焊縫未修復與修復軸向應變分布

通過對缺陷管道和修復管道進行的對比試驗，得到了兩種管道的應變分布特征和變形情況，為基于應變準則的缺陷管道和修復管道的極限承載力提供了研究數(shù)據(jù)，對于評價管道安全性和可靠性具有現(xiàn)實意義。

4  結語

全尺寸四點彎曲試驗裝置是油氣管道、海洋工程等領域的關鍵測試裝備，用于研究實際工況下的管道在彎曲載荷下的力學響應，能夠較為真實的再現(xiàn)管道在實際工程中受彎時的變形和破壞過程，對管道力學給予數(shù)據(jù)支撐。研究具有重要意義，為管道的安全運行提供了保障。但目前仍未形成系統(tǒng)的理論體系和應用方法，因此可利用全尺寸四點彎曲試驗平臺開展以下研究。

（1）研究管道在實際運行時的力學響應、屈服行為與極限承載能力。

（2）針對管道在復雜服役環(huán)境下的設計、評估與驗證技術體系提供試驗參照與數(shù)據(jù)支持。

（3）對高強度管線鋼等新材料進行彎曲性能研究，指導新型材料的應用。

（4）基于試驗結果優(yōu)化現(xiàn)有設計標準，提出更符合實際工況的管道彎曲性能評價方法。

 

參考文獻：

[1]董瑾.基于應變設計的管線鋼管變形行為研究述評[J].西安石油大學學報（自然科學版），2019，34(4)：96-102.

[2]Reddy B.D.，An experimental study of the plastic buckling of circular cylinders in pure bending[J]．International Journal of Solids and Structures．1 979，l5(9)：669-683．

[3]Gresnigt A.M.，Van Foeken R.J.，Chen S.L.Collapse of UOE Manufactured SteelPipes[C].International Offshore and Polar Engineering Conference，Seattle，America，2000.

[4]Gresnigt A.M.，Van Foeken R.J.Local buckling of UOE and Seamless SteelPipes[C].International Offshore and Polar Engineering Conference，Stavanger，Norway，2001.

[5]Gresnigt A.M.，Karamanos S.A.，Andreadakis K.P.Lateral loading of internally pressurizedsteelpipes[J].Journal of Pressure Vessel Technology.2007，129：385-393.

[6]張豫，朱立，李乃賢，等．X80鋼級Φ1016 mm管道四點彎曲試驗數(shù)值分析[J].焊管，2022，45(8)：10-16.

[7]李鶴林，李霄，吉玲康，等.油氣管道基于應變的設計及抗大變形管線鋼的開發(fā)與應用[J].焊管.2007，30(5)：5-11.

[8]劉鋒，吳月磊，楊玉超，等.內充壓力介質管道彎曲力學行為實驗研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2016，35(3)：40-45+52.

[9]余東亮，楊川，吳東容，等.X80管道環(huán)焊縫缺陷鋼質環(huán)氧套筒補強試驗[J].油氣儲運，2021，40(9)：997-1007.

 

作者簡介：張豫，1985年生，碩士，高級工程師，四川德源管道科技股份有限公司副總經(jīng)理，主要研究方向為管道內檢測、腐蝕與防護、管道本體缺陷修復、陰極保護。聯(lián)系方式：18113033697；zhangyu@deyuanpipe.com。