B型鋼質(zhì)套筒修復(fù)技術(shù)改進(jìn)研究報(bào)告

-.z.B型全封閉鋼質(zhì)套筒修復(fù)技術(shù)的改進(jìn)榮光1（1．中國石油管道研究中心）榮光等.B型全封閉鋼質(zhì)套筒修復(fù)技術(shù)的改進(jìn).油氣儲(chǔ)運(yùn)，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(yàn)等方法設(shè)計(jì)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(yán)重威脅到了管道的安全運(yùn)行。以東部管道為例，在其30多年的運(yùn)行進(jìn)程中，螺旋焊縫位置上發(fā)生了多起泄漏事故，造成了嚴(yán)重后果。由于大量嚴(yán)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(jìn)行修復(fù)，需要打磨掉焊縫余高，這會(huì)導(dǎo)致管體缺陷程度進(jìn)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(yán)重影響了焊接進(jìn)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(qiáng)度，使其不會(huì)因達(dá)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(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。影響修復(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(bǔ)強(qiáng)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(kuò)展。傳統(tǒng)B型套筒修復(fù)螺旋焊縫缺陷時(shí)，不打磨焊縫余高，套筒與管壁難以結(jié)合緊密，一般存在5～10mm的縫隙，套筒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(diǎn)（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(jìn)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8mm、焊縫高度2.5mm、寬度15mm，焊縫缺陷為東部管道典型的部裂紋缺陷，假設(shè)其長度為5.6mm，套筒材料的彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比λ=0.3，假設(shè)管道壓為4MPa（圖2、圖3）螺旋焊縫裂紋螺旋焊縫裂紋圖2鋼管橫截面圖3螺旋焊縫中的裂紋通過ABAQUS分析，鋼管在僅承受壓載荷下裂紋附近的應(yīng)力場顯示，裂紋有擴(kuò)展的趨勢，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ為74.7MPa·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(shí)，套筒與管體接觸主要集中在焊縫處，假設(shè)其作用力P1為1000N（圖5）。裂紋裂紋P1圖5傳統(tǒng)套筒的作用力在ABAQUS中計(jì)算得到，在上述載荷作用下，裂紋附近的應(yīng)力場顯示，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ為76.7MPa·m1/2（圖6），大于僅在壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)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(jì)是在筒壁預(yù)留焊縫凹槽，安裝時(shí)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(jì)參數(shù)主要根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)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=2.1×105MPa，泊松比λ=0.3，假設(shè)壓為4MPa，凹槽高度為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(dú)承受壓（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308MPa，如果沒有凹槽，應(yīng)力應(yīng)該在150MPa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部中間位置，而不是凹槽與套筒交匯處。如果壓突升至凹槽達(dá)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(jì)7組凹槽，分別建立有限元模型，計(jì)算最大應(yīng)力的數(shù)值。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著凹槽寬度的減小，最大應(yīng)力的數(shù)值會(huì)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(shí)際情況，確定凹槽寬度為40mm。使用新型B型套筒，凹槽高度為4mm，寬度為40mm，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裂紋裂紋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(yàn)驗(yàn)證采用全尺寸靜水壓爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證新型B型套筒修復(fù)螺旋焊縫缺陷效果。試驗(yàn)按文獻(xiàn)[2]執(zhí)行。試驗(yàn)用管材選用￠720×9mm，材質(zhì)16Mn，屈服強(qiáng)度為358MPa，螺旋焊縫鋼管制作試驗(yàn)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(yàn)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(jì)算中可以得出，含缺陷管道的屈服壓力約為2MPa，計(jì)算過程如下：試驗(yàn)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，=2.8675=4.6905屈服準(zhǔn)則為：或=2.012MPa(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(qiáng)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(jìn)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(xiàn)[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(yàn)套筒壓力-時(shí)間曲線（縱坐標(biāo)改為/MPa，橫坐標(biāo)改為/min）圖12為爆破試驗(yàn)壓力隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出，爆破壓力達(dá)到14.0MPa，遠(yuǎn)高于管體實(shí)際運(yùn)行壓力（4.3MPa）和管體屈服壓力（約8.0MPa）。試驗(yàn)完成后，測試管道直徑由2275mm膨脹至2452mm，試驗(yàn)管體發(fā)生明顯屈服，遠(yuǎn)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(qiáng)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(kuò)的趨勢，一旦裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子接近管材的斷裂韌性，裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，直至破裂。通過軟件模擬、力學(xué)分析設(shè)計(jì)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(kuò)展。并通過爆破試驗(yàn)驗(yàn)證了其修復(fù)效果。參考文獻(xiàn)：[1]ASMEPCC-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(yàn)方法(收稿日期：2009-12-25)作者簡介榮光，工程師，1980年生，2005年碩士畢業(yè)于航天航空大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道防護(hù)材料方面的研究工作。：0。:rglipetrochina..地址：省市金光道51號(hào)郵編：065000InnovationofTypeBFull-EncirclementSteelSleevesrepairtechnologyAbstractAlargenumberofwelddefects,suchasinadequatepenetration,inpletefusion,fatiguecracks,hasbeendetectedbythein-lineinspection,thee*istenceofthosedefectsseriousthreatenthesafeoperationoftheEasternpipeline.Atpresent,thesedefectshavebeenmainlyrepairedbythetraditionaltypeBsleeve.Becauseoftheseveredefects,itisnecessarytoretaintheoriginalweldreinforcementduringtherepairprocess,resultingindifficultywiththesleeveinclosefittingwiththepipe.Therewillbealargergapbetweenthesleeveandthepipe,itbringonsleeveweldingdifficultissuesanddeclinetherepairquality.Inthispaper,throughsoftwaresimulation,mechanicalanalysisandtestingmethods,anewtypeoftypeBFull-EncirclementS