碳纖維復(fù)合材料修復(fù)帶缺陷儲(chǔ)氣井的應(yīng)力分析及試驗(yàn)研究

王曉橋,張永紅,徐擁軍,王 鑫,張煙生

(1.陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,西安 710048;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100019)

0 引言

隨著天然氣使用規(guī)模的逐步擴(kuò)大，對(duì)天然氣安全技術(shù)的要求也越來(lái)越高。儲(chǔ)氣井作為天然氣汽車加氣站的主要儲(chǔ)氣設(shè)備，具有占地面積小、消防半徑低、儲(chǔ)氣溫度恒定、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)被逐漸推廣應(yīng)用，并已在天然氣調(diào)峰站、企業(yè)儲(chǔ)氣庫(kù)、城鎮(zhèn)儲(chǔ)配站等領(lǐng)域得到應(yīng)用。儲(chǔ)氣井是一種埋地管狀新型儲(chǔ)氣設(shè)備，典型的儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由井口裝置、井管、井底裝置及固井水泥環(huán)豎直埋于地下組成。

圖1 儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)示意

隨著儲(chǔ)氣井的大量推廣應(yīng)用，逐漸暴露出許多問(wèn)題，主要集中在腐蝕和設(shè)計(jì)方面，其中以井管外壁腐蝕方面的問(wèn)題尤為突出(見(jiàn)圖2)。

由于儲(chǔ)氣井井管外壁腐蝕情況比較普遍，導(dǎo)致大量?jī)?chǔ)氣井裝置被迫降壓使用或停用，所以為保證儲(chǔ)氣井的安全使用，減少減壓使用和停用儲(chǔ)氣井裝置產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，研究在役儲(chǔ)氣井井管外壁腐蝕缺陷的修復(fù)方法勢(shì)在必行[1-4]。

圖2 儲(chǔ)氣井井管外壁腐蝕實(shí)例

1 含缺陷儲(chǔ)氣井井管及碳纖維修復(fù)后井管的應(yīng)力分析

1.1 儲(chǔ)氣井井管規(guī)格及材料性能

目前運(yùn)行儲(chǔ)氣井主要的規(guī)格與材料性能如表1所示。

表1 儲(chǔ)氣井井管規(guī)格及材料性能

1.2 含缺陷儲(chǔ)氣井井管應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算及疲勞性能校核

對(duì)兩種規(guī)格、含不同缺陷的儲(chǔ)氣井井管進(jìn)行應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算及疲勞性能校核，缺陷類型及尺寸如下。

(1)環(huán)形缺陷：缺陷尺寸為儲(chǔ)氣井全周，軸向長(zhǎng)度50～200 mm，深度2～6 mm。

(2)局部缺陷：簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方形缺陷，缺陷尺寸為環(huán)向角度30°～90°,軸向長(zhǎng)度50～200 mm，深度2～6 mm。

(3)點(diǎn)狀缺陷：缺陷尺寸為缺陷圓半徑4 mm,深度2～6 mm。

根據(jù)管道對(duì)稱性，取含缺陷管體的1/4建立有限元模型。分析時(shí)平行于管道軸向的兩個(gè)剖面施加對(duì)稱約束，管道軸向的底部橫截面施加豎直方向的約束，上部端面施加軸向載荷。為了消除邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，有限元模型的長(zhǎng)度取管道直徑的3～5倍，此模型長(zhǎng)度設(shè)定為800 mm，結(jié)果取模型中間部位[5]。

圖3 有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件

根據(jù)埋地管線的實(shí)際工況，受到載荷較多，分析過(guò)程復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算且不影響分析結(jié)果，考慮內(nèi)壓和軸向載荷。模型選用三維八節(jié)點(diǎn)六面體Solid 186單元，由于缺陷處應(yīng)力和應(yīng)變梯度很大，故對(duì)缺陷處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。軸對(duì)稱有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件見(jiàn)圖3，不同腐蝕缺陷的局部網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

(a)環(huán)形缺陷 (b)局部缺陷 (c)點(diǎn)狀缺陷

圖4 不同腐蝕缺陷的局部網(wǎng)格

1.3 外壁帶缺陷儲(chǔ)氣井井管應(yīng)力分析

通過(guò)儲(chǔ)氣井井管材料性能試驗(yàn)，確定儲(chǔ)氣井井管材料為非線性材料。圖5示出有限元計(jì)算中使用的井管材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(a)材料N80Q的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b)材料P110的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 井管材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以第三強(qiáng)度理論作為判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于存在不同深度的環(huán)形缺陷、局部缺陷、點(diǎn)狀缺陷(缺陷深度為1～6 mm)的儲(chǔ)氣井井管進(jìn)行應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算，疲勞壽命根據(jù)JB 4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》疲勞曲線進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論。

(1)各種缺陷下，隨著缺陷深度的不斷增加，儲(chǔ)氣井井管的爆破壓力逐漸下降，其中，缺陷深度為6 mm時(shí)，含有環(huán)形缺陷的儲(chǔ)氣井井管爆破壓力下降了25%；含有局部缺陷的儲(chǔ)氣井井管爆破壓力下降了35%；而含有點(diǎn)狀缺陷的儲(chǔ)氣井井管爆破壓力下降較小，下降了9%。

(2)在缺陷深度為6 mm以下時(shí)，含各種缺陷的儲(chǔ)氣井井管的疲勞性能無(wú)明顯下降。

1.4 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后儲(chǔ)氣井井管的應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算及疲勞性能校核

針對(duì)外壁帶缺陷的儲(chǔ)氣井井管，采用碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，將浸有樹(shù)脂的碳纖維人工纏繞在管體缺陷周圍，樹(shù)脂固化后形成碳纖維復(fù)合材料，涉及使用的修復(fù)材料包括專用樹(shù)脂、專用填平膩?zhàn)雍吞祭w維布[6-7]。填充材料硬化后，布氏硬度可達(dá)到90左右，簡(jiǎn)化假設(shè)為剛性材料，外部碳纖維層為各向異性材料。

三維模型選用三維八節(jié)點(diǎn)六面體Solid 186單元，平面模型選擇八節(jié)點(diǎn)等參元Plane 183。三維模型的有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件見(jiàn)圖6。

圖6 三維模型有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件

通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的儲(chǔ)氣井井管進(jìn)行應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算，疲勞壽命根據(jù)JB 4732—95疲勞曲線進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論。

(1)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的儲(chǔ)氣井井管爆破壓力得到顯著提高，缺陷深度6 mm的儲(chǔ)氣井井管補(bǔ)強(qiáng)后的爆破壓力見(jiàn)表2。

(2)含各種缺陷的儲(chǔ)氣井井管的疲勞性能均能滿足使用要求。

表2 儲(chǔ)氣井井管補(bǔ)強(qiáng)后的爆破壓力

2 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)帶缺陷儲(chǔ)氣井井管的補(bǔ)強(qiáng)方法及實(shí)施

2.1 儲(chǔ)氣井井管試件缺陷型式及尺寸

經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算與應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氣井井管缺陷會(huì)增大井管內(nèi)應(yīng)力，降低儲(chǔ)氣井井管的爆破壓力，但在工作壓力下，缺陷對(duì)儲(chǔ)氣井的疲勞性能無(wú)影響。所以在設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣井缺陷時(shí)，設(shè)計(jì)加工了均勻減薄缺陷和局部減薄缺陷，沒(méi)有模擬深孔腐蝕缺陷?？紤]到腐蝕等原因造成的表面凹凸僅影響試件的疲勞性能，爆破性能主要由腐蝕深度影響，所以采用機(jī)加工方式制作缺陷不會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響。圖7示出機(jī)加工完成的儲(chǔ)氣井缺陷。

(a)環(huán)狀均勻減薄缺陷

(b)局部減薄缺陷

2.2 補(bǔ)強(qiáng)方法

針對(duì)外壁帶缺陷的儲(chǔ)氣井井管，采用碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，將浸有樹(shù)脂的碳纖維人工纏繞在管體缺陷周圍，樹(shù)脂固化后形成碳纖維復(fù)合材料，涉及使用的修復(fù)材料包括專用樹(shù)脂、專用填平膩?zhàn)雍吞祭w維布[8-10]。其具有如下特點(diǎn)。

(1)在“三不”即不卸料、不泄壓、不動(dòng)火情況下實(shí)施碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)，可以避免由于焊接施工所帶來(lái)的焊穿、氫脆、冷脆等風(fēng)險(xiǎn)，保障儲(chǔ)氣井運(yùn)行的連續(xù)性，有效消除儲(chǔ)氣井帶病運(yùn)行的安全隱患，同時(shí)也避免了天然氣意外著火爆炸帶來(lái)的重大經(jīng)濟(jì)損失[11]。

(2)碳纖維彈性模量高，與鋼的彈性模量較接近，有利于復(fù)合材料盡可能多地承載管道壓力，降低含缺陷處管道的應(yīng)力水平，補(bǔ)強(qiáng)層與管道具有非常好的變形協(xié)同性。碳纖維的抗拉強(qiáng)度和延伸率高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性[12]。

(3)碳纖維復(fù)合材料和修補(bǔ)劑均具有較高的層間剪切強(qiáng)度，并且耐腐蝕性能、耐溫性能、抗老化性能優(yōu)異。

(4)碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異，其強(qiáng)度隨著服役時(shí)間的增加基本保持不變。

(5)施工簡(jiǎn)便快捷，快速搶修，約2～3 h即可完成施工[13]。

2.3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算

補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖8，9所示。

圖8 帶局部缺陷的儲(chǔ)氣井井管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖9 帶環(huán)狀缺陷的儲(chǔ)氣井井管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

碳纖維復(fù)合材料的濕纏繞法補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算參照ASME PCC-2—2011《Repair of Pressure Equipment and Piping》進(jìn)行[14]。

根據(jù)下式可計(jì)算出增強(qiáng)層的厚度：

(1)

式中εC——碳纖維復(fù)合材料環(huán)向許用應(yīng)變；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——井管外徑，mm；

EC——碳纖維復(fù)合材料環(huán)向彈性模量，GPa；

trepair——最小修復(fù)層的厚度，mm；

s——井管材料許用應(yīng)力，MPa；

ts——缺陷處的井管最小剩余壁厚，mm；

Plive——修復(fù)時(shí)的最大循環(huán)內(nèi)壓，MPa；

Es——井管材料彈性模量，GPa。

通過(guò)迭代法，可以計(jì)算出最小修復(fù)層的厚度trepair,進(jìn)而計(jì)算出需要修復(fù)的層數(shù)n。

n=trepair/tlayer

(2)

式中n——最小修復(fù)層的層數(shù)；

tlayer——碳纖維復(fù)合材料單層厚度，mm。

根據(jù)下式可計(jì)算出修復(fù)的最小增強(qiáng)寬度：

(3)

式中L——最小增強(qiáng)寬度，mm；

t——井管名義壁厚，mm；

d——缺陷處的等效井管同心圓直徑，mm。

表3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)

3 儲(chǔ)氣井試件爆破及疲勞試驗(yàn)

3.1 儲(chǔ)氣井試件疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖10，試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖11。圖12,13分別為試驗(yàn)中的帶缺陷和補(bǔ)強(qiáng)后儲(chǔ)氣井試件。

圖10 壓力循環(huán)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)P110和N80Q兩種材料、局部減薄和環(huán)狀減薄兩種缺陷、補(bǔ)強(qiáng)前和補(bǔ)強(qiáng)后兩種情況共6個(gè)試件進(jìn)行了12 000次壓力循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)泄漏，試驗(yàn)后儲(chǔ)氣井試件無(wú)變形，說(shuō)明在儲(chǔ)氣井試件涉及的減薄范圍內(nèi)，試件補(bǔ)強(qiáng)前和補(bǔ)強(qiáng)后的疲勞性能均滿足要求。

圖11 試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)

圖12 疲勞試驗(yàn)中的帶缺陷儲(chǔ)氣井試件

圖13 疲勞試驗(yàn)中的補(bǔ)強(qiáng)后儲(chǔ)氣井試件

3.2 儲(chǔ)氣井試件爆破試驗(yàn)

圖14 隔爆倉(cāng)內(nèi)的2#儲(chǔ)氣井試件爆破瞬間截圖

表4 儲(chǔ)氣井試件的爆破壓力

分別對(duì)P110和N80Q兩種材料、局部減薄和環(huán)狀減薄兩種缺陷、補(bǔ)強(qiáng)前和補(bǔ)強(qiáng)后兩種情況共6個(gè)試件進(jìn)行了液壓爆破試驗(yàn)，圖14為儲(chǔ)氣井試件在隔爆倉(cāng)中爆破瞬間視頻截圖。

表4列出儲(chǔ)氣井試件的爆破壓力，圖15示出6個(gè)試件的爆破壓力-時(shí)間曲線圖。

儲(chǔ)氣井試件爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，外壁帶有缺陷的儲(chǔ)氣井試件爆破壓力有很大下降，說(shuō)明缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響儲(chǔ)氣井井管的極限承載能力，必須采取一定的措施才能繼續(xù)使用帶有缺陷的儲(chǔ)氣井井管。

外壁帶缺陷儲(chǔ)氣井試件經(jīng)碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法補(bǔ)強(qiáng)后，爆破壓力完全可以達(dá)到無(wú)缺陷儲(chǔ)氣井試件的爆破壓力。

(a)1#試件 (b)2#試件 (c)3#試件

(d)4#試件 (e)5#試件 (f)6#試件

圖15 儲(chǔ)氣井試件的爆破壓力-時(shí)間曲線

4 結(jié)論

(1)通過(guò)應(yīng)力計(jì)算，儲(chǔ)氣井裝置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在井管的中間部位，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，即在正常操作情況下，儲(chǔ)氣井材料的安全儲(chǔ)備量足夠。

(2)帶外壁缺陷儲(chǔ)氣井試件和經(jīng)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的儲(chǔ)氣井試件均通過(guò)了12 000次疲勞試驗(yàn)，說(shuō)明在一定的壁厚減薄范圍內(nèi)，儲(chǔ)氣井的疲勞性能沒(méi)有受到影響。

(3)外壁帶有缺陷的儲(chǔ)氣井試件爆破壓力有很大下降，說(shuō)明缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響儲(chǔ)氣井裝置的極限承載能力，必須采取一定的措施才能繼續(xù)使用帶缺陷的儲(chǔ)氣井裝置。

(4)外壁帶缺陷儲(chǔ)氣井試件經(jīng)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后，爆破壓力得到明顯提高，完全可以達(dá)到無(wú)缺陷儲(chǔ)氣井裝置的爆破壓力。

(5)碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法補(bǔ)強(qiáng)可以有效地修復(fù)外壁帶缺陷儲(chǔ)氣井井管，但是修復(fù)后的井管承載性能與補(bǔ)強(qiáng)工藝及檢驗(yàn)手段有很大關(guān)系，所以帶缺陷儲(chǔ)氣井井管的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)必須遵循嚴(yán)格的補(bǔ)強(qiáng)工藝和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。