B型鋼質(zhì)套筒修復(fù)技術(shù)改進研究

1、 .B型全封閉鋼質(zhì)套筒修復(fù)技術(shù)的改進李榮光1 （1中國石油管道研究中心）李榮光等.B型全封閉鋼質(zhì)套筒修復(fù)技術(shù)的改進.油氣儲運， 摘 要：綜述了東部管道缺陷情況，分析了傳統(tǒng)B型套筒修復(fù)缺陷存在的問題，介紹了采用軟件模擬、力學(xué)分析、爆破試驗等方法設(shè)計的新型凸式B型套筒的研制過程，解決了傳統(tǒng)B型套筒與缺陷管體結(jié)合貼合度低、焊接難度高，修復(fù)質(zhì)量差等問題。主題詞：管道；修復(fù)技術(shù)；B型套筒；有限元我國相當(dāng)一部分管道經(jīng)過多年服役，管體老化問題日益突出，加之早期建設(shè)的管道技術(shù)水平較低，從管道建設(shè)之日起，就存在大量由于制造引起的缺陷特征，如焊縫未焊透、未融合、撅嘴等，這些缺陷特征的存在嚴重威脅到了管道的安全運行

2、。以東部管道為例，在其30多年的運行進程中，螺旋焊縫位置上發(fā)生了多起泄漏事故，造成了嚴重后果。由于大量嚴重缺陷發(fā)生在螺旋焊縫和環(huán)焊縫處，采用傳統(tǒng)B型套筒進行修復(fù)，需要打磨掉焊縫余高，這會導(dǎo)致管體缺陷程度進一步加深，甚至出現(xiàn)泄漏事故。因此，施工中一般不打磨而直接安裝套筒，致使套筒與管體結(jié)合不緊密、空隙過大，嚴重影響了焊接進度和修復(fù)質(zhì)量。1傳統(tǒng)B型套筒修復(fù)中存在的問題B型套筒修復(fù)技術(shù)原理是根據(jù)管體減薄處在內(nèi)壓作用下的徑向應(yīng)力增大，利用全封閉鋼質(zhì)套筒恢復(fù)管璧減薄處的承壓強度，使其不會因達到塑性變形極限而破裂。B型套筒的安裝過程主要有缺陷表面處理、降壓、安裝、焊接、焊接檢測、防腐和回填七個技術(shù)環(huán)節(jié)。影

3、響修復(fù)質(zhì)量最重要的因素是套筒與管體的貼合度和焊接質(zhì)量，套筒與管體的貼合度又是保證焊接質(zhì)量的前提條件。因此，為了有效發(fā)揮套筒修復(fù)補強作用，應(yīng)盡可能保證套筒和缺陷部位能夠“無縫隙”地緊密貼合在一起，以限制缺陷超出塑性形變后繼續(xù)擴展。傳統(tǒng)B型套筒修復(fù)螺旋焊縫缺陷時，不打磨焊縫余高，套筒與管壁難以結(jié)合緊密，一般存在510mm的縫隙，套筒內(nèi)壁與管體焊縫直接接觸，套筒焊接完成后，焊縫處為主要承力點（圖1）。圖1 傳統(tǒng)B型套筒安裝后側(cè)邊及焊縫處為了了解這種安裝方法對焊縫缺陷修復(fù)的影響，采用ABAQUS有限元對修復(fù)后管體進行應(yīng)力分布分析。分析中涉及到的主要參數(shù)有：鋼管直徑720mm、壁厚8 mm、焊縫高度2.

4、5 mm、寬度15 mm，焊縫缺陷為東部管道典型的內(nèi)部裂紋缺陷，假設(shè)其長度為5.6 mm，套筒材料的彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比=0.3，假設(shè)管道內(nèi)壓為4 MPa（圖2、圖3）。螺旋焊縫 裂紋圖2 鋼管橫截面 圖3 螺旋焊縫中的裂紋通過ABAQUS分析，鋼管在僅承受內(nèi)壓載荷下裂紋附近的應(yīng)力場顯示，裂紋有擴展的趨勢，應(yīng)力強度因子K為74.7 MPa·m1/2（圖4）。圖4 應(yīng)力場等值圖使用傳統(tǒng)的套筒修復(fù)焊縫缺陷時，套筒與管體接觸主要集中在焊縫處，假設(shè)其作用力P1為1 000 N（圖5）。裂紋P1圖5 傳統(tǒng)套筒的作用力在ABAQUS中計算得到，在上述載荷作用下，裂

5、紋附近的應(yīng)力場顯示，應(yīng)力強度因子K為76.7 MPa·m1/2（圖6），大于僅在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子，可見傳統(tǒng)B型套筒的安裝方式對鋼管焊縫中的裂紋缺陷具有一定的破壞作用。圖6 應(yīng)力場等值圖2新型B型套筒新型B型套筒的研制目的是在不破壞缺陷管體原有外形的情況下，提高套筒與管體貼合度，改善傳統(tǒng)套筒修復(fù)質(zhì)量1。新型B型套筒的設(shè)計是在筒壁預(yù)留焊縫凹槽，安裝時通過凹槽過度焊縫，以減少焊縫余高對套筒安裝貼合度的影響（圖7）。B型套筒的設(shè)計參數(shù)主要根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗和軟件模擬結(jié)果確定。主要參數(shù)有套筒材料的彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比=0.3，假設(shè)內(nèi)壓為4 MPa，凹槽高度

6、為4mm，寬度為變量通過軟件模擬分析確定。在ABAQUS中建立有限元模型，分析凹槽處單獨承受內(nèi)壓（缺陷破裂）的受力情況，處理后得到凹槽應(yīng)力分布圖（圖8）。圖7 新型B型套筒應(yīng)力最大處圖8凹槽應(yīng)力分布圖由圖8可知，應(yīng)力最大處為308 MPa，如果沒有凹槽，應(yīng)力應(yīng)該在150 MPa左右，可見應(yīng)力放大因子約為2。應(yīng)力主要集中在凹槽的內(nèi)部中間位置，而不是凹槽與套筒交匯處。如果內(nèi)壓突升至凹槽達到屈服應(yīng)力，套筒凹槽出現(xiàn)應(yīng)變集中，凹槽主要受到環(huán)向應(yīng)力牽拉，凹槽變形寬度上升、高度降低，最終導(dǎo)致凹槽所受應(yīng)力被分散到套筒其他部分。將凹槽的寬度作為變量設(shè)計7組凹槽，分別建立有限元模型，計算最大應(yīng)力的數(shù)值。計算結(jié)果顯

7、示，隨著凹槽寬度的減小，最大應(yīng)力的數(shù)值會增大，但增長幅度非常有限。增加凹槽的寬度有利于減小應(yīng)力集中?？紤]焊縫的實際情況，確定凹槽寬度為40mm。使用新型B型套筒，凹槽高度為4 mm，寬度為40 mm，套筒與焊縫不直接接觸，對管體焊縫頂部無作用力，但對焊縫附近的區(qū)域施加分布力p2，假設(shè)p2為4 MPa（圖9），管道內(nèi)壓為4 MPa。由ABAQUS計算得到，在上述載荷作用下，裂紋附近的應(yīng)力場顯示（圖10），裂紋在外加應(yīng)力的作用下趨于閉合，在一定程度上抑制了裂紋的擴展，降低了缺陷繼續(xù)發(fā)展的可能性。裂紋P2P2圖9 焊縫附近區(qū)域的分布力圖10 應(yīng)力場等值圖3爆破試驗驗證采用全尺寸靜水壓爆破試驗，驗證新

8、型B型套筒修復(fù)螺旋焊縫缺陷效果。試驗按文獻2執(zhí)行。試驗用管材選用¢720×9mm，材質(zhì)16Mn，屈服強度為358MPa，螺旋焊縫鋼管制作試驗管件，封頭厚度25mm，制作缺陷為85%90%螺旋焊縫缺陷（未焊透），缺陷長度為600mm。缺陷制作采用氣切割，將試驗管體完全切割開后，在缺陷外表面制作深度為1mm的坡口，再將坡口處用低氫焊條焊接。從力學(xué)計算中可以得出，含缺陷管道的屈服壓力約為2MPa，計算過程如下：試驗管道在水壓的作用下，產(chǎn)生，軸向應(yīng)力。如果管道沒有缺陷，則屈服發(fā)生在：即，或 MPa（無缺陷管道的屈服壓力）現(xiàn)有螺旋焊縫缺陷，長mm，深度其軸向的投影長度 mm，=2.8

9、675=4.6905屈服準則為：或=2.012 MPa (含缺陷管道的屈服壓力)式中：為水壓；為環(huán)向應(yīng)力；為軸向應(yīng)力；為屈服強度；為螺旋焊縫缺陷軸向的投影長度；為無量綱長度；為Folias 因子；為應(yīng)力放大因子；D為管道外徑；t為壁厚。采用新型B型套筒對缺陷管體進行修復(fù)，安裝過程中發(fā)現(xiàn)新型B型套筒的安裝貼合度明顯高于傳統(tǒng)B型套筒，其縫隙平均寬度在1mm左右（圖11），完全滿足文獻1的相關(guān)規(guī)定。圖11新型套筒安裝后的側(cè)邊圖12 試驗套筒壓力-時間曲線（縱坐標改為/MPa，橫坐標改為/min）圖12為爆破試驗壓力隨時間變化曲線，從圖中可以看出，爆破壓力達到14.0MPa，遠高于管體實際運行壓力（4

10、.3MPa）和管體屈服壓力（約8.0MPa）。試驗完成后，測試管道直徑由2 275mm膨脹至2 452mm，試驗管體發(fā)生明顯屈服，遠大于套筒修復(fù)處的管體形變量（30mm），證明新型B型套筒可以很好地限制缺陷處管體的應(yīng)力形變，有效地增強了缺陷處的承壓能力。使用傳統(tǒng)套筒修復(fù)焊縫缺陷，施工過程中對焊縫頂部產(chǎn)生的集中作用力，使裂紋有繼續(xù)擴張的趨勢，一旦裂紋尖端的應(yīng)力強度因子接近管材的斷裂韌性，裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展，直至破裂。通過軟件模擬、力學(xué)分析設(shè)計的新型B型套筒，安裝貼合緊密、焊接難度低，且焊縫附近區(qū)域產(chǎn)生的分布力在一定程度上抑制了裂紋的擴展。并通過爆破試驗驗證了其修復(fù)效果。參考文獻：1 ASME P

11、CC-2-2008 壓力設(shè)備和管道的維修2 SY/T5992 輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法 (收稿日期：2009-12-25) 作者簡介李榮光，工程師，1980年生，2005年碩士畢業(yè)于北京航天航空大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道防護材料方面的研究工作。電話E-mail:rgli地址：河北省廊坊市金光道51號 郵編：065000Innovation of Type B Full-Encirclement Steel Sleeves repair technologyAbstract A large number of weld defects ,such as ina

12、dequate penetration ,incomplete fusion ,fatigue cracks ,has been detected by the in-line inspection, the existence of those defects serious threaten the safe operation of the Eastern pipeline. At present, these defects have been mainly repaired by the traditional type B sleeve . Because of the sever

13、e defects, it is necessary to retain the original weld reinforcement during the repair process, resulting in difficulty with the sleeve in close fitting with the pipe. There will be a larger gap between the sleeve and the pipe, it bring on sleeve welding difficult issues and decline the repair quality. In this paper, through software simulation, mechanical analysis and testing methods, a new type of type B Full-Encirclemen