某成品油管道巖石擠壓段頂部應(yīng)力響應(yīng)

賴少川，張 平，何勇君，王 垚

(1.中國(guó)石化銷售有限公司 華南分公司，廣州 510000；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

石油天然氣管道在運(yùn)行過(guò)程中，由于敷設(shè)條件、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等原因，會(huì)在管道底部發(fā)生巖石擠壓變形，往往工程上只關(guān)心和處理管道底部的擠壓位置，忽略擠壓管段頂部的受力情況，如果擠壓管段頂部的應(yīng)力超過(guò)管材的抗拉強(qiáng)度，管道仍會(huì)出現(xiàn)裂紋、發(fā)生破裂失效，引發(fā)泄漏事故[1-3]。因此，準(zhǔn)確掌握巖石擠壓管段頂部的應(yīng)力狀態(tài)同樣十分必要，便于評(píng)估管段整體的健康狀態(tài)，及時(shí)采取應(yīng)急措施。

在國(guó)內(nèi)，蔣宏業(yè)等[4]針對(duì)采空塌陷引起的管道變形進(jìn)行了受力分析，最大Mises應(yīng)力和最大豎向應(yīng)變位置位于塌陷區(qū)內(nèi)邊緣且靠近塌陷區(qū)中間，最大軸向應(yīng)力和最大軸向應(yīng)變位置在塌陷區(qū)中間兩側(cè)；林森等[5]為了得到海底管道由于海床崎嶇所產(chǎn)生的變形和應(yīng)力狀態(tài)，采用有限元法驗(yàn)證了不同張力條件下海底凹陷和隆起地形對(duì)管道應(yīng)力的影響。在國(guó)外，Jeng DS等[6]研究了波浪荷載作用下埋地管道的應(yīng)力與變形，計(jì)算表明管內(nèi)角向有效應(yīng)力和剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于波浪引起的孔隙壓力；Mirzaee-Sisan A等[7]對(duì)環(huán)焊縫發(fā)生塑性變形的殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量和有限元對(duì)比分析，結(jié)果表明有限元模型可以預(yù)測(cè)焊縫變形的殘余應(yīng)力分布，但是在厚度方面與測(cè)量值存在一些差異。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓力管道變形部位應(yīng)力狀態(tài)的研究主要通過(guò)兩種技術(shù)手段：一是仿真模擬[8-10]，二是應(yīng)變間接測(cè)試[11]；并且對(duì)于巖石擠壓變形管道的應(yīng)力分布狀況還沒(méi)有開展相關(guān)研究。因此采用最先進(jìn)的X射線應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，直接獲取巖石擠壓段的各個(gè)應(yīng)力值，了解其分布規(guī)律，可以為管道的安全評(píng)估和失效預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 擠壓段基本情況

某成品油長(zhǎng)輸管道，規(guī)格為Φ323.9×6.4 mm，3PE+環(huán)氧粉末防腐層，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，運(yùn)行壓力4.6 MPa，材質(zhì)為L(zhǎng)360。由于巖石擠壓在管道底部出現(xiàn)凹陷變形，經(jīng)內(nèi)變形檢測(cè)器檢測(cè)，凹陷絕對(duì)深度為41.4 mm，相對(duì)變形深度為12.8%，軸向長(zhǎng)度242 mm,環(huán)向長(zhǎng)度206 mm，凹陷類型為平滑型，如圖1所示。

圖1 巖石擠壓管段

2 應(yīng)力檢測(cè)

2.1 檢測(cè)原理

利用X射線應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)原理基于X射線衍射理論[12]，該方法是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力最先進(jìn)、最直接和最可靠的方法。X射線衍射現(xiàn)象：當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)λ的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度2θ范圍內(nèi)接收到反射的X射線強(qiáng)度極大值，即衍射峰。X射線的波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間滿足布拉格定律：

2dsinθ=nλ(n=1,2,3……)

(1)

在已知X射線波長(zhǎng)λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測(cè)量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。當(dāng)材料中應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會(huì)相應(yīng)改變。因此，可以通過(guò)測(cè)量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來(lái)求應(yīng)力σ。

2.2 檢測(cè)步驟

選取凹陷管段頂部的5個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，如圖2所示。其中位置1和位置5對(duì)應(yīng)凹陷邊緣位置，位置3對(duì)應(yīng)凹陷底部，位置2和位置4對(duì)應(yīng)凹陷底部與邊緣的中間位置；5個(gè)測(cè)試位置等距離分布，相鄰兩個(gè)位置間距60 m。

圖2 應(yīng)力測(cè)試位置示意圖

用角磨機(jī)和鋼絲輪去除凹陷部位的3PE+環(huán)氧粉末防腐層，露出金屬本體，然后用不同粒度的百葉輪、砂紙多次打磨，得到光滑、平整、干凈的測(cè)試面；將打好圓孔的絕緣膠紙粘貼在打磨好的測(cè)點(diǎn)表面，使測(cè)試點(diǎn)為位于圓孔中心，保證電解液可以覆蓋拋光點(diǎn)所在圓孔的整體，且不會(huì)從其他圓孔或其他部位與測(cè)試管道接觸，然后利用電解拋光儀對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電解拋光，當(dāng)肉眼觀察表面由打磨的光亮面變成較暗的腐蝕形貌并且不見打磨造成的劃痕，停止電解拋光；然后，將表面擦拭干凈，利用X射線應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行軸向和環(huán)向兩個(gè)方向的應(yīng)力測(cè)試；為更好地反應(yīng)某一點(diǎn)整體應(yīng)力狀態(tài)，引入Mises等效應(yīng)力σMises作為評(píng)價(jià)依據(jù)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，σz和σh為測(cè)得的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。

為了對(duì)比研究，將擠壓巖石移除，使管道充分卸載，按上步驟再次測(cè)試凹陷部位應(yīng)力。

3 應(yīng)力響應(yīng)

為了方便分析，以測(cè)試位置3為零點(diǎn)，以管道軸向?yàn)樽鴺?biāo)軸，因此位置1坐標(biāo)為-120 mm，位置2坐標(biāo)為-60 mm，位置4坐標(biāo)為60 mm，位置5坐標(biāo)為120 mm。移除巖石前后軸向應(yīng)力值見表1，移除巖石前后軸向應(yīng)力對(duì)比曲線見圖3。從表1和圖3可以看出，該巖石擠壓管道頂部的軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力(正值)，最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在凹陷底部對(duì)應(yīng)位置，移除巖石前為302.9 MPa，移除巖石后為225.4 MPa；凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置軸向應(yīng)力次之，移除巖石前為260 MPa左右，移除巖石后為220 MPa左右；底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置軸向應(yīng)力較小，移除巖石前位置2和位置4的應(yīng)力分別為221.6 MPa和236.7 MPa，移除巖石后位置2和位置4的應(yīng)力為165.9 MPa和176 MPa；巖石移除后的軸向應(yīng)力明顯小于巖石移除前的軸向應(yīng)力，減小大約40～80 MPa左右，其中凹陷底部對(duì)應(yīng)位置減小值最大，為77.5 MPa，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置減小值較小，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置減小值次之。

圖3 移除巖石前后軸向應(yīng)力對(duì)比曲線

移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力值見表2，移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力對(duì)比曲線見圖4。從表2和圖2可以發(fā)現(xiàn)，移除巖石前后，擠壓管道頂部的環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力(負(fù)值)，與同位置的軸向應(yīng)力相比，數(shù)值較小；凹陷底部對(duì)應(yīng)位置環(huán)向應(yīng)力最小，巖石移除前為-32.3 MPa，巖石除后為-26.6 MPa；底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置環(huán)向應(yīng)力次之，巖石移除前為-50 MPa左右，巖石移除后為-30 MPa左右；凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置環(huán)向應(yīng)力相對(duì)較大，巖石移除前位置1和位置5的環(huán)向應(yīng)力為-65.5 MPa和-82 MPa，巖石移除后位置1和位置5的環(huán)向應(yīng)力為-39.3 MPa和-58.1 MPa；巖石移除后的環(huán)向應(yīng)力也小于巖石移除前的環(huán)向應(yīng)力，但環(huán)向應(yīng)力減小值曲線與軸向應(yīng)力減小值曲線相反，其中凹陷底部對(duì)應(yīng)位置減小值最小，僅5.7 MPa，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置減小值次之，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置減小值較大，最多減小26.2 MPa。

表2 移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力值

圖4 移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力對(duì)比曲線

移除巖石前后Mises等效應(yīng)力值見表3，移除巖石前后Mises等效應(yīng)力對(duì)比曲線見圖5。從表3和圖5中可以看出，移除巖石前后，擠壓管段頂部的Mises等效應(yīng)力與軸向應(yīng)力在管道軸向的分布趨勢(shì)基本一致，凹陷底部、凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置Mises等效較大，這是因?yàn)檩S向應(yīng)力值較大，在合成Mises等效應(yīng)力時(shí)其主要作用；巖石移除前，凹陷底部對(duì)應(yīng)位置的Mises等效應(yīng)力最大，為320.3 MPa，巖石移除后，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置5的Mises等效應(yīng)力最大，為250.6 MPa；同樣，Mises等效應(yīng)力減小值曲線與軸向應(yīng)力減小值曲線也類似，但相對(duì)平緩，減小值為60～80 MPa，凹陷底部對(duì)應(yīng)位置減小值最大，為80.5 MPa，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置減小值次之，為70 MPa左右，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置減小值較小，大約為60 MPa左右。

圖5 移除巖石前后Mises等效應(yīng)力對(duì)比曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比移除巖石前后擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力以及Mises等效應(yīng)力，可以得到以下結(jié)論：

1)巖石擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力為壓應(yīng)力，相同位置的軸向應(yīng)力值大于環(huán)向應(yīng)力值；

2)無(wú)論是否移除巖石，擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力和Mises等效應(yīng)力在管道軸向呈“W”狀分布，凹陷底部、凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力值較大，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力值較??；環(huán)向應(yīng)力在管道軸向呈“V”狀分布，從凹陷底部對(duì)應(yīng)位置到凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置逐漸增大；

3)移除巖石后，擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力以及Mises等效應(yīng)力均有不同程度減小，其中軸向應(yīng)力和Mises等效應(yīng)力減小值曲線呈“倒V”狀，從凹陷底部對(duì)應(yīng)位置到凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置逐漸變?。欢h(huán)向應(yīng)力減小值曲線則呈“V”狀，從凹陷底部對(duì)應(yīng)位置到凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置逐漸增大。