內(nèi)壓載荷對(duì)含缺陷管段復(fù)合材料修復(fù)效果影響研究

摘 要：高含硫化氫油氣管道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，因管道環(huán)焊縫的缺陷導(dǎo)致管道失效的事件時(shí)常發(fā)生，通過(guò)含缺陷管道修復(fù)前與修復(fù)后的試驗(yàn)效果對(duì)比，分析影響修復(fù)效果的主要影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，在管道極限內(nèi)壓工況下，含缺陷的環(huán)焊縫主要所受威脅主要表現(xiàn)為環(huán)向作用力，采用復(fù)合材料修復(fù)缺陷可增強(qiáng)管道的抗內(nèi)壓能力；修復(fù)后的管道抗屈服能力明顯優(yōu)于管體本身，可顯著提高含缺陷環(huán)焊縫的屈服能力；管道的抗內(nèi)壓能力得到一定的提升。復(fù)合材料修復(fù)能在一定程度上提高管道的屈服強(qiáng)度及爆破壓力，對(duì)于管道安全運(yùn)行能起到一定的作用。

關(guān)鍵詞：超標(biāo)缺陷；內(nèi)壓載荷；缺陷管道；屈服強(qiáng)度；極限承載能力

中圖分類號(hào)：TQ314.2"""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1001-5922（2024）07-0092-05

Study on the effect of internal pressure load on the repair

effect of composite materials in pipe section with defects

LIANG Zhonghong，WANG Xiaowei，ZHANG Fengxia，YUAN Yinchun，ZHANG Yao

（No.2 Gas Production Plant of Southwest Oiland Gas Branch，Sinopec，Langzhong 637400，Sichuan China）

Abstract： After the long?term operation of high?hydrogen sulfide oil and gas pipelines， pipeline failures often occur due to defects in pipeline girth welds， and the main influencing factors affecting the repair effect were analyzed by comparing the test results of pipelines with defects before and after repair.The test results showed that under the ultimate internal pressure condition of the pipeline， the main threat of the girth weld containing defects was the hoop force， and the repair of the defects by composite materials could enhance the internal pressure resistance of the pipeline. The yield resistance of the repaired pipeline was significantly better than that of the pipe body itself， which could significantly improve the yield capacity of the girth weld with defects. The internal pressure resistance of the pipeline had been improved to a certain extent. Composite material repair can improve the yield strength and bursting pressure of the pipeline to a certain extent， and can play a certain role in the safe operation of the pipeline.

Key words： excessive defects；internal pressure load；defect pipeline；yield；ultimate

高含硫化氫天然氣管道作為我國(guó)高含硫氣田的毛細(xì)血管，其安全運(yùn)營(yíng)是民生大事，尤其是高壓輸送高含硫天然氣管道，在長(zhǎng)期管道腐蝕［1］及環(huán)焊縫缺陷延展導(dǎo)致管道失效的可能性大大提高［2］。根據(jù)前期元壩酸氣管道焊縫質(zhì)量排查工作成果入手，收集管道缺陷數(shù)據(jù)，利用元壩停產(chǎn)檢維修換管的材料作為研究對(duì)象，選擇未熔合缺陷作為試驗(yàn)對(duì)象，利用復(fù)合材料修復(fù)管道與未修復(fù)管道，采用管道靜水壓爆破試驗(yàn)，用內(nèi)壓載荷對(duì)含缺陷管道的復(fù)合材料修復(fù)效果開(kāi)展試驗(yàn)研究，探索復(fù)合材料修復(fù)對(duì)管道維修效果［3］。

1"" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1"" 實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器及系統(tǒng)

為充分了解含未熔合缺陷管道復(fù)合材料的修復(fù)效果，本次利用管道靜水壓爆破試驗(yàn)工作原理［4］，采用2種規(guī)格型號(hào)的在運(yùn)行對(duì)含未熔合缺陷管道修復(fù)前、后的靜水壓爆破壓力大小值對(duì)比，研究復(fù)合材料修復(fù)效果［5］。管道采用Φ273 mm×11 mm及Φ323 mm×12 mm，在運(yùn)行含未熔合缺陷環(huán)焊縫管道各2組，修復(fù)材料采用玻璃纖維復(fù)合材料［6?7］。本次試驗(yàn)采用HP-SYCXT1800/40 靜態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括：高壓泵（最高工作壓力40 MPa、最大流量1 800 L/h、功率30 KW）、強(qiáng)制過(guò)濾系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（壓力測(cè)試電氣控制系統(tǒng)、水壓靜態(tài)壓力試驗(yàn)控制程序、水壓爆破試驗(yàn)控制程序）、壓力傳感系統(tǒng)（壓力測(cè)試精度：±0.5% F.S）。

1.2.實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1"" 未修復(fù)含危害缺陷管段的靜水壓爆破試驗(yàn)

為研究未修復(fù)的危害缺陷管段的極限承載能力，科研小組采用未修復(fù)裸管靜水壓爆破試驗(yàn)及復(fù)合材料修復(fù)管靜水壓爆破試驗(yàn)開(kāi)展研究，選取含不同幾何尺寸缺陷包括深度或長(zhǎng)度2組未熔合缺陷的管段，進(jìn)行實(shí)物水壓爆破試驗(yàn)，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變分析系統(tǒng)對(duì)打壓過(guò)程中的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)［4］。記錄爆破試驗(yàn)壓力時(shí)間曲線，屈服壓力，最高壓力、爆破壓力等，分析驗(yàn)證含未熔合缺陷管段的極限承載能力。樣品缺陷管道基本信息見(jiàn)表1。

（1）未修復(fù)試樣編號(hào)Φ273-1裸。屈服壓力為17.9 MPa，爆破壓力為21.9 MPa，最大壓力為23.17 MPa ；

（2）未修復(fù)試樣編號(hào)Φ323-2裸。結(jié)合爆破試驗(yàn)壓力時(shí)間曲線及數(shù)據(jù)可得，Φ323-2裸管，屈服壓力為17.6 MPa，爆破壓力為21.7 MPa，最大壓力為22.24 MPa 。

1.2.2"" Φ273管道爆破應(yīng)力

樣品編號(hào)Φ273-1裸，管長(zhǎng)550 mm，壁厚12.7 mm，爆破試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)內(nèi)壓加載至16 MPa后，個(gè)別測(cè)點(diǎn)已達(dá)到彈性極限應(yīng)變；當(dāng)內(nèi)壓從16 MPa加載至20 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側(cè)100 mm截面，個(gè)別應(yīng)變測(cè)點(diǎn)迅速突變失效，其余測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變?cè)龇^快，其中最多增加了3 190個(gè)微應(yīng)變，說(shuō)明截面進(jìn)入塑性狀態(tài)。

1.2.3"" 樣件編號(hào)Φ323-2裸。

該樣品Φ323-2裸管道長(zhǎng)450 mm，壁厚11.8 mm，管道爆破試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)內(nèi)壓從12 MPa加載至16 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)已達(dá)到彈性極限應(yīng)變，焊縫右側(cè)100 mm截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)基本上仍處于彈性階段；當(dāng)內(nèi)壓從16 MPa加載至20 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側(cè)100 mm截面，基本上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)都迅速突變失效，說(shuō)明截面進(jìn)入塑性狀態(tài)。

1.3"" 水壓爆破試驗(yàn)

Φ273-1裸管含未熔合缺陷環(huán)焊縫截面和焊縫右側(cè)100 mm截面位的環(huán)、軸向應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖 3所示。當(dāng)加載內(nèi)壓小于16 MPa時(shí)，焊縫截面、焊縫右側(cè)100 mm截面處于彈性階段，環(huán)向與軸向應(yīng)變基本隨著內(nèi)壓的增加呈線性增加。焊縫截面每增加1 MPa內(nèi)壓，增加85個(gè)環(huán)向微應(yīng)變，26.5個(gè)軸向微應(yīng)變，焊縫右側(cè)100 mm截面處每增加1 MPa內(nèi)壓，增加80個(gè)環(huán)向微應(yīng)變，22個(gè)軸向微應(yīng)變，同一截面的不同位置應(yīng)變基本相同，符合理論規(guī)律。當(dāng)內(nèi)壓超過(guò)16 MPa時(shí)，管道截面達(dá)到彈性極限應(yīng)變，當(dāng)內(nèi)壓繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)變發(fā)展迅速，各測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變亦快速增長(zhǎng)。

由圖3可知，內(nèi)壓小于16 MPa時(shí)，管體各截面基本處于彈性狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算的屈服內(nèi)壓26.3～33.5 MPa；當(dāng)內(nèi)壓增加到16～20 MPa時(shí)，應(yīng)變開(kāi)始急劇增加，管體進(jìn)入塑性階段；內(nèi)壓大于20 MPa后，管體接近極限應(yīng)變。Φ273-1裸管和Φ323-2裸管的爆破內(nèi)壓均在22 MPa左右。

2"" 含缺陷管段復(fù)合材料修復(fù)［3］效果內(nèi)壓載荷應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比試驗(yàn)研究

2.1"" 修復(fù)材料設(shè)計(jì)參數(shù)

選取2個(gè)含不同幾何尺寸未熔合缺陷試驗(yàn)管段，采用復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)修復(fù)后管段施加內(nèi)壓，直至修復(fù)管段爆破，得出極限狀態(tài)下的復(fù)合材料修復(fù)層的最大環(huán)向應(yīng)力及失效壓力［6］。依《元壩氣田高含硫管道環(huán)焊縫安全服役性能分析試驗(yàn)方案》要求復(fù)合材料修復(fù)后爆破管道2根，Φ273-1復(fù)、Φ323-2復(fù)為復(fù)合材料修復(fù)后爆破管。樣品缺陷管道基本信息見(jiàn)表2。

2組試驗(yàn)管的兩端采用與管道匹配的封頭焊接密封，試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行外觀、尺寸、壁厚、無(wú)損檢測(cè)開(kāi)展檢查檢查工作（無(wú)損檢測(cè)應(yīng)為II合格），確保所有缺陷均在記錄之內(nèi)，確定缺陷類型的缺陷尺寸。

對(duì)于選擇好的含缺陷試驗(yàn)管段，在開(kāi)展符合材料修復(fù)工作前，再次核準(zhǔn)其含缺陷的位置、尺寸及長(zhǎng)度，采用酒精等清潔管道表面，保證修復(fù)區(qū)域的表面光潔。Φ273-1復(fù)、Φ323-2復(fù)的2組試驗(yàn)管按照《管道缺陷纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)規(guī)范（Q/SY GD0215—2011）開(kāi)展修復(fù)工作［7］。根據(jù)ISO/TS 24817：2017、ASME PCC-2 —2015，管道爆破復(fù)合材料修復(fù)層數(shù)［8］，如表3所示。

2.2"" 含缺陷管段復(fù)合材料修復(fù)效果內(nèi)壓載荷應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1"" 試樣編號(hào)Φ273-1復(fù)（復(fù)合材料修復(fù)管）

結(jié)合爆破試驗(yàn)壓力時(shí)間曲線及數(shù)據(jù)可得，復(fù)合材料修復(fù)管Φ273-1復(fù)，屈服壓力為17.9 MPa，爆破壓力為22.5 MPa，最大壓力為23.2 MPa。

2.2.2"" 試樣編號(hào)Φ323-2復(fù)（復(fù)合材料修復(fù)管）

結(jié)合爆破試驗(yàn)壓力時(shí)間曲線及數(shù)據(jù)可得，Φ323-2復(fù)管，屈服壓力為18.2 MPa，爆破壓力為22.4 MPa，最大壓力為22.8 MPa。

2.3"" 水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1"" 試驗(yàn)樣件Φ273-1復(fù)

該樣件Φ273-1復(fù)為復(fù)合材料修復(fù)管，長(zhǎng)710 mm，壁厚11.6 mm，管道爆破試驗(yàn)內(nèi)壓-應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，當(dāng)內(nèi)壓加載至16 MPa，截面基本上都處于彈性階段，未達(dá)到彈性極限應(yīng)變1 833 με；當(dāng)內(nèi)壓從16 MPa加載至22 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側(cè)100 mm截面，所有測(cè)點(diǎn)均未失效，環(huán)向應(yīng)變基本呈線性增長(zhǎng)，最大測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變?yōu)?5 204 με，其中最多增加了2 503.8 με，應(yīng)變發(fā)展迅速，說(shuō)明截面進(jìn)入塑性狀態(tài)。將試驗(yàn)測(cè)試截面所得環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比所得，焊縫右側(cè)100 mm（母材）截面應(yīng)變水平小于含未熔合缺陷焊縫截面。

2.3.2"" 試驗(yàn)樣件Φ323-2復(fù)

該樣件Φ323-2復(fù)為復(fù)合材料修復(fù)管長(zhǎng)850 mm，壁厚12.2 mm，由管道爆破試驗(yàn)可知，當(dāng)內(nèi)壓加至16 MPa，截面基兩本上都處于彈性階段，未達(dá)到彈性極限應(yīng)變1 833 με；當(dāng)內(nèi)壓從16 MPa加至20 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側(cè)100 mm截面，所有測(cè)點(diǎn)均未失效，環(huán)向應(yīng)變最大測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變?yōu)?0 045 με，應(yīng)變發(fā)展迅速，說(shuō)明截面進(jìn)入塑性狀態(tài)。

3"" 內(nèi)壓載荷下對(duì)復(fù)合材料修復(fù)效果影響分析

3.1"" 樣件Φ273管

3.1.1"" 環(huán)向應(yīng)變對(duì)比分析

靜水壓作用下Φ273管環(huán)向應(yīng)變隨內(nèi)壓變化對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可知，增大內(nèi)壓至16 MPa后，未修復(fù)裸管環(huán)焊縫截面測(cè)點(diǎn)隨內(nèi)壓增加，環(huán)向應(yīng)變迅速增大，大多測(cè)點(diǎn)迅速失效。而隨內(nèi)壓增加復(fù)合材料修復(fù)管環(huán)焊縫截面測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變相對(duì)增幅較小，基本呈線性增長(zhǎng)，直至管道爆破，最大環(huán)向應(yīng)變?yōu)?6 000 με左右，其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)變多在8 000 με；說(shuō)明復(fù)合材料起到修復(fù)作用［10］。

3.1.2"" 管道極限狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

管道極限狀態(tài)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表4所示。

復(fù)合材料修復(fù)管273-1復(fù)管服從屈服壓力、爆破壓力以及最大壓力各方面都高于未修復(fù)裸管273-1裸管，說(shuō)明復(fù)合材料起到一定的分擔(dān)效果［11］，但仍與理論計(jì)算值差距較大。

3.2"" 樣件Φ323管

3.2.1"" 環(huán)向應(yīng)變對(duì)比分析

靜水壓作用下Φ323管環(huán)向應(yīng)變隨內(nèi)壓變化對(duì)比，如圖7所示。

由圖7可知，內(nèi)壓加載至16 MPa后，未修復(fù)裸管環(huán)焊縫截面測(cè)點(diǎn)隨內(nèi)壓增加，環(huán)向應(yīng)變迅速增大，大多測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生突變至失效。而隨內(nèi)壓增加復(fù)合材料修復(fù)管環(huán)焊縫截面測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變相對(duì)增幅較小，直至管道爆破，最大應(yīng)變?yōu)?0 000 με左右；說(shuō)明復(fù)合材料一定程度上起到修復(fù)作用；Φ323-5管（未修復(fù)裸管）由于壁厚較厚，且未產(chǎn)生爆破口，此處暫不分析。

3.2.2"" 管道極限狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)得到管道極限狀態(tài)數(shù)據(jù)如表5所示。

復(fù)合材料修復(fù)管323-2復(fù)管服從屈服壓力、爆破壓力以及最大壓力各方面都高于未修復(fù)裸管323-2裸管，說(shuō)明復(fù)合材料起到一定的分擔(dān)效果；但仍與理論計(jì)算值有一定差距。

4"nbsp; 結(jié)語(yǔ)

（1）在管道極限內(nèi)壓工況下，含缺陷的環(huán)焊縫主要所受威脅主要表現(xiàn)為環(huán)向作用力，采用復(fù)合材料修復(fù)缺陷可增強(qiáng)管道的抗內(nèi)壓能力［12］；

（2）采用復(fù)合材料對(duì)管道修復(fù)后，修復(fù)管道的抗屈服能力明顯優(yōu)于管體本身，因此，采用復(fù)合材料修復(fù)，可顯著提高含缺陷環(huán)焊縫的屈服能力［13］；

（3）復(fù)合材料修復(fù)后，管道的抗內(nèi)壓能力得到一定的提升；

（4）復(fù)合材料修復(fù)能在一定程度上提高管道的屈服強(qiáng)度及爆破壓力，對(duì)于管道安全運(yùn)行能起到一定的作用。

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