油氣管道平滑凹陷疲勞試驗應(yīng)變響應(yīng)分析

王 垚， 張 平， 何勇君， 熊道英， 張玉乾， 馬昕昕

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

凹陷是油氣管道在運行過程中常見的一種缺陷，它的存在會減小有效管徑、導(dǎo)致應(yīng)力集中，并影響管道的承載壓力和使用壽命[1-2]。因此，管道凹陷的形成原因、承載能力、響應(yīng)狀態(tài)以及失效機理[3-4]對保障管道安全具有重要意義。在國內(nèi)，帥義等[5]進(jìn)行了含凹陷管道的全尺寸水壓爆破實驗，結(jié)果表明凹陷的存在加劇了凹陷及其周圍管道的受力狀態(tài)，凹陷處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力或應(yīng)變，導(dǎo)致管道疲勞。陳建等[6]利用有限仿真模擬的方法，分析了凹陷深度、管道壁厚、擠壓體大小等因數(shù)對應(yīng)變的影響，表明凹陷深度越大、管道壁厚越大，應(yīng)變越大；凹陷輪廓越光滑，應(yīng)變越大。在國外，H M Al-Muslim等[7]對含環(huán)焊縫及含直焊縫凹陷管道進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊縫平滑凹陷的最大應(yīng)力和管體平滑凹陷相同，表明焊縫平滑凹陷和管體平滑凹陷一樣并不影響管道的承壓能力，但會使疲勞壽命大幅度減小。Aglaia E. Pournara等[8]對2根進(jìn)行完疲勞試驗依然完好的含褶皺凹陷管道進(jìn)行了水壓爆破試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道的爆破壓力及爆破位置未受褶皺凹陷影響。

目前，對于平滑凹陷，普遍認(rèn)識為其對管道的承壓能力影響較小，并認(rèn)為這是由于凹陷形成時的應(yīng)變硬化以及平滑凹陷受內(nèi)壓時能順利回彈引起的[9-10]，本文將重點研究含平滑凹陷管道在疲勞過程中凹陷不同部位的應(yīng)變響應(yīng)情況，為油氣管道的安全評價和壽命預(yù)測理論參考。

1 試驗試樣

試驗所用平滑凹陷，采用直徑120 mm球面，在材質(zhì)為X60、規(guī)格355.6 mm×7.1 mm、長度3 m管段上壓制而成，絕對深度為53.34 mm，相對深度為15%OD(其中OD為管道外徑)，平滑凹陷位于管段中心，在1.5 m位置處。實驗管段采用兩端焊接封頭，其中一端封頭加工進(jìn)油孔和排氣孔。平滑凹陷壓頭見圖1所示。

圖1 平滑凹陷壓頭

將試驗試樣編號為PH-15-PL，其中PH代表平滑凹陷，15表示凹陷相對深度為15%OD，PL代表疲勞試驗，試驗試樣具體信息見表1。

表1 試驗試樣信息

2 疲勞試驗

2.1 試驗步驟

將平滑凹陷附近管段打磨出金屬光澤，在凹陷位置處布置應(yīng)變傳感器，如圖2所示，分別為凹陷中心位置1，凹陷中間位置2、位置4和位置6，凹陷邊緣位置3、位置5和位置7；其中位置1、位置2和位置3代表管道軸向，位置1和位置6和位置7代表管道環(huán)向，位置1、位置5和位置6為45°方向；每個位置的應(yīng)變傳感器均監(jiān)測環(huán)向和軸向兩個方向，量程為20 000微應(yīng)變。

圖2 應(yīng)變傳感器布置位置

向試驗管段內(nèi)充灌液壓油，充滿后封堵進(jìn)油口，豎立充滿液壓油的試驗管段并靜置約3小時，排除氣體后，恢復(fù)試驗管段水平放置，連接最大量程為60 MPa液壓油泵，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括壓力采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)、循環(huán)次數(shù)計數(shù)系統(tǒng)，每4分鐘采集一次壓力、溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)變采樣頻率設(shè)置為10 Hz。加壓上限設(shè)置為10 MPa(管道設(shè)計壓力)，下限設(shè)置為1 MPa，升壓時間為2 s，上限壓力保壓時間為2 s，降壓時間為1.5 s，下限壓力保壓時間為1 s，一次壓力循環(huán)約6.5 s，時間-壓力曲線如圖3所示，油溫維持20 ℃，直到試驗管道發(fā)生疲勞失效為止。

圖3 疲勞試驗時間-壓力曲線

2.2 試驗結(jié)果

該平滑凹陷經(jīng)歷4 265次壓力循環(huán)后，在沿管道軸向方向的凹陷邊緣出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋沿管道軸向擴(kuò)展，長度3.56 mm，此時液壓油從裂紋處持續(xù)噴射。平滑凹陷發(fā)生較大回彈，疲勞試驗后，凹陷絕對深度為25.12 mm，相對深度為7.06%，回彈量為7.94%。疲勞試驗后平滑凹陷以及產(chǎn)生裂紋位置如圖4所示。

圖4 疲勞試驗后凹陷狀態(tài)

綜合以上試驗情況，得到含平滑凹陷試驗管道疲勞試驗具體結(jié)果，如表2所示。

表2 疲勞試驗結(jié)果

3 應(yīng)變響應(yīng)分析

在疲勞試驗過程中對該平滑凹陷圖2所示的7個位置進(jìn)行環(huán)向、軸向應(yīng)變監(jiān)測。

位于凹陷中心位置1的環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖5和圖6所示。位置1的環(huán)向在疲勞試驗壓力循環(huán)過程始終受拉，在疲勞試驗前期和后期環(huán)向拉應(yīng)變迅速增加，在疲勞試驗中期增加較為緩慢，循環(huán)結(jié)束時環(huán)向應(yīng)變上下限為6 170 με至5 626 με；位置1在4 265次壓力循環(huán)內(nèi)沿軸向受壓，同樣在疲勞試驗前期和后期軸向應(yīng)變急劇增大，在疲勞試驗中期變化較為平緩，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為-9 250 με至-11 800 με。

圖5 位置1環(huán)向應(yīng)變

圖6 位置1軸向應(yīng)變

位置2的環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖7和圖8所示。位置2在疲勞試驗前410次壓力循環(huán)中沿環(huán)向受拉，應(yīng)變上下限為15 430 με至10 963 με，之后該方向應(yīng)變片超過量程失效；位置2在疲勞試驗前822次壓力循環(huán)中軸向也受拉，應(yīng)變上下限為10 484 με至7 934 με，之后該方向應(yīng)變片超過量程失效。

圖7 位置2環(huán)向應(yīng)變

圖8 位置2軸向應(yīng)變

位置3的環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖9和圖10所示。位置3在疲勞試驗前期沿環(huán)向受壓，隨著循環(huán)次數(shù)增加，發(fā)生回彈變形，后期開始受拉，壓應(yīng)變減小，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為-1 363 με至-1 542 με。位置3軸向在疲勞試驗內(nèi)受壓，隨著循環(huán)次數(shù)增加應(yīng)變逐漸增大，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為-9 148 με至-10 600 με。

圖9 位置3環(huán)向應(yīng)變

圖10 位置3軸向應(yīng)變

位置4環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖11和圖12所示。位置4沿環(huán)向在疲勞試驗內(nèi)初始階段受拉，拉應(yīng)變急劇增大，隨著循環(huán)次數(shù)增加發(fā)生回彈變形，開始受壓，拉應(yīng)變逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定階段應(yīng)變上下限為2 996至2 460 με，2 460次壓力循環(huán)后，應(yīng)變片超過量程失效。位置4點軸向在疲勞試驗內(nèi)，隨著循環(huán)次數(shù)增加發(fā)生塑性變形，循環(huán)次數(shù)較小時，對應(yīng)壓力下限(1 MPa)該點沿軸向受壓，循環(huán)次數(shù)較大時該點沿軸向受拉，應(yīng)變由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為2 800 με至1 397 με。

圖11 位置4環(huán)向應(yīng)變

圖12 位置4軸向應(yīng)變

位置5環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖13和圖14所示。位置5疲勞試驗內(nèi)沿環(huán)向受拉，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為6 834 με至5 934 με。位置5軸向在疲勞試驗內(nèi)也受拉，應(yīng)變大小受壓力變動影響較小，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為3 732 με至3 602 με。

圖13 位置5環(huán)向應(yīng)變

圖14 位置5軸向應(yīng)變

位置6環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖15和圖16所示。位置6環(huán)向在疲勞試驗內(nèi)受拉，隨著循環(huán)次數(shù)增加發(fā)生回彈變形，拉應(yīng)變逐漸減小后趨于平穩(wěn)，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為11 448 με至9 872 με。位置6軸向在壓力循環(huán)內(nèi)受壓，隨著循環(huán)次數(shù)增加發(fā)生回彈變形，壓應(yīng)力逐漸減小，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為-5 823 με至-6 649 με。

圖15 位置6環(huán)向應(yīng)變

圖16 位置6軸向應(yīng)變

位置7環(huán)向、軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖17和圖18所示。位置7點在疲勞試驗內(nèi)沿環(huán)向受壓，初期和后期應(yīng)變增加較快，中期較為緩慢，循環(huán)結(jié)束時應(yīng)變上下限為-11 767 με至-13 686 με。位置7軸向在疲勞試驗內(nèi)受拉，過程中應(yīng)變增加較為平緩，軸向應(yīng)變上下限為5 576 με至4 320 με。

圖17 位置7環(huán)向應(yīng)變

圖18 位置7軸向應(yīng)變

4 結(jié)論

通過對含相對深度為15%OD平滑凹陷的管道進(jìn)行疲勞試驗，并監(jiān)測不同凹陷位置在疲勞試驗過程中的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變，得出結(jié)論如下：

1)管道凹陷部位比正常部位更容易發(fā)生疲勞失效，失效位置出現(xiàn)在變形較大的凹陷邊緣位置，失效方式為軸向疲勞裂紋。

2)凹陷中心在疲勞試驗過程中，隨著壓力循環(huán)次數(shù)的增加發(fā)生回彈，環(huán)向受拉，軸向受壓。

3)凹陷中間位置，其中軸向中間位置2和45°中間位置4，在疲勞試驗過程中環(huán)向和軸向始終受拉，應(yīng)變均為拉應(yīng)變；而環(huán)向中間位置6在疲勞試驗過程中環(huán)向受拉，軸向受壓。

4)凹陷邊緣位置，軸向邊緣位置3在疲勞試驗過程中環(huán)向和軸向均受壓，45°邊緣位置5在疲勞試驗過程中環(huán)向和軸向均受拉，而環(huán)向邊緣位置7在疲勞試驗過程中環(huán)向受壓，軸向受拉。