環向裂縫缺陷管道帶壓密封的安全注劑壓力影響因素分析

(1.西安石油大學石油工程學院 陜西西安 710065；2.陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室 陜西西安 710065；3.中國石油新疆油田分公司采油一廠 新疆克拉瑪依 834000)

油田管道運行過程中不可避免地存在由于腐蝕穿孔、焊縫缺陷、環境、第三方破壞等因素造成的管道破損、泄漏，給油田帶來極大的安全隱患，事故管道的應急維搶修技術對保障生產安全具有重要作用[1-3]。注劑式帶壓密封技術具有不動火、不停產，適用溫度、壓力和流體介質范圍廣等優點[4-6]，近年來在油氣管道維護領域得到了廣泛應用。然而，在帶壓密封過程中，若注劑壓力過大，致使作用在管道缺陷處的等效應力超過管道的極限承壓能力時，將存在擴大缺陷、破壞管道的風險[7-9]。因此，該技術的核心問題是如何確定安全注劑壓力，即注劑密封過程中缺陷管道所受到的最大等效應力[10-11]。

目前，已有不少研究分析了管道在圓形、方形、雙點、多點等多種缺陷形式下的承壓能力，同時對管道經過帶壓焊接、帶壓纏繞、非金屬材料補強、密封卡具等方法補強修復后的承壓能力進行了評價[12-14]。然而，對密封作用過程中管道承壓能力的評價研究較少。對注劑式不動火帶壓密封技術而言，缺陷形式、形態尺寸、管徑大小等均會對注劑壓力產生影響，其影響規律也有待進一步研究[15-19]。為此，本文作者針對含環向裂縫缺陷的金屬管道，采用實驗與仿真模擬相結合的方法分析裂縫長度、管徑和管道運行壓力對最大等效應力的影響，這將為提高帶壓密封技術的作業成功率、確保施工安全性、可靠性提供理論支撐。

1 安全注劑壓力的有限元模擬

為了進一步研究含環向裂縫缺陷的管道在帶壓注劑密封過程中的應力變化，采用有限元方法首先模擬實驗工況，對數值模擬的可靠性進行驗證；然后通過仿真模擬分析裂縫長度、管徑大小、管道運行壓力對注劑壓力的影響規律。

1.1 有限元模型

首先，采用ANSYS軟件內部的自上而下的建模方法對含環向裂紋缺陷的金屬管道建立三維實體模型，如圖1(a)所示；模型管道的材質參數與實驗所測試參數保持一致(屈服強度為350 MPa，抗拉強度為512 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3)。

圖1 含環向裂縫缺陷的金屬管道建模及網格劃分

第二，進行有限元網格劃分時，選用Solid186單元，該單元是一個高階三維20節點的固體結構單元，可以較準確地模擬環向裂紋缺陷泄漏管體；其中，管體部分選用較大的網格尺寸，而對于泄漏缺陷及其附近區域設置了較小的網格尺寸，以確保計算結果的準確性，網格劃分如圖1(b)所示。

第三，進行注劑式帶壓密封作業時，管道外壁會在泄漏缺陷處受到卡具密封空腔內密封注劑的作用，作用區域即為卡具密封空腔在管道外壁泄漏缺陷附近處所對應的區域，如圖2所示陰影區域。在模擬過程中，文中認為卡具密封空腔內部密封注劑對管道外壁的作用為均勻等值載荷，方向沿管道徑向向內，載荷施加區域即為圖2中陰影區域。

圖2 載荷施加區域

第四，失效準則判定。其中失效準則依失效模式而定，油氣管線的失效模式主要是局部塑性失效模式，即認為泄漏缺陷區的等效應力(Von Mises米塞斯條件)達到屈服極限后管線失效。采用基于這種塑性失效的準則，在三維主應力空間上，Von Mises條件表述為

(1)

式中：σVon為等效應力，MPa；σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應力，即軸向應力、徑向應力和環向應力，MPa；σs為材料的許用應力，MPa。

2 有限元模型的實驗驗證

為確保所建立有限元模型及方法的準確性及可靠性，采用室內實驗對其進行驗證。

2.1 安全注劑壓力測試實驗

選用20#優質碳素結構鋼為試件。通過實驗測試確定該管材的實際屈服強度為350 MPa，抗拉強度為512 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，管徑為325 mm，壁厚為7 mm。

在管道上造一條長度為80 mm、寬度可忽略不計的環向裂縫，并在裂縫周圍布置粘貼應變片，如圖3所示；然后在密封卡具上對應位置進行開孔，將測試線引出，接入應變數據采集系統，如圖3所示；按照注劑式帶壓密封技術進行注劑操作，測量管道外壁在一定密封注劑壓力作用下的應變值；采集過程數據并處理，計算圖3中點A、B、C、D處的等效應力，繪制注劑壓力-應變曲線。

圖3 應變片布置實物圖

圖4 實驗及數據采集裝置

采用3個電阻應變片組成的應變花來測定3個選定方向上的應變，以此求得對應測量點A、B處的主應力及其主方向，按照第四強度理論求得其Von Mises等效應力為

(2)

通過對采集到的應變數據進行整理、計算，可得到測點A的等效應力。

2.2 模型的實驗驗證

按照實驗相同工況進行了仿真模擬，將經過后處理得到測量點A的等效應力與實驗結果進行比較，如圖5所示。可以看出：模擬結果和實驗數據吻合較好，證明了文中數值模擬方法的可靠性。

圖5 模擬結果的實驗驗證

3 模擬結果及討論

3.1 不同裂縫長度對管道等效應力的影響

建立管徑為377 mm、壁厚為7 mm、管道內壓為1.6 MPa，缺陷長度分別為5、10、15、20、40、60、80 mm的有限元模型，模擬泄漏管道在帶壓密封注劑時的“失效”狀態，分析等效應力值隨缺陷長度的變化規律。

圖6示出了裂縫長度分別為10、20 mm的管道應力分布云圖。

圖6 不同環向裂縫長度的金屬管道等效應力云圖

圖7示出了等效應力值隨裂縫長度的變化曲線。可以看出：其他條件相同時，隨著環向裂縫缺陷長度的增加，最大等效應力減小，進行帶壓密封時所施加的注劑壓力也越小。這是因為對于有環向裂縫缺陷的管道而言，裂縫長度越大，管道的剩余強度越小，承壓能力越低，失效壓力就越低，其對應的最大等效應力越小，注劑過程中所施加的外力也應越小。

圖7 管道等效應力隨裂縫長度變化曲線

3.2 不同管徑大小對管道等效應力的影響

建立裂縫長度分別為15和20 mm，管道內壓為1.6 MPa，管徑分別為219、273、325、377、426 mm，壁厚為7 mm的有限元模型，模擬泄漏管道在帶壓密封注劑時的“失效”狀態，分析等效應力值隨管徑大小的變化規律。

圖8示出了管徑分別為219和426 mm，裂縫長度為15 mm的管道應力分布云圖。圖9示出了等效應力值隨管徑的變化曲線。結果表明：其他條件相同時，隨著管徑的增大，管道的最大等效應力先減小后增加。這是因為當環向裂縫長度相同時，管徑越大，曲率越小，裂縫的軸向應力越高，導致管道抵抗軸向變形的能力減弱，進而致使含缺陷管道的最大等效應力降低[7]；此外、隨著管徑增大，Folias膨脹系數減小，管道失效壓力增大，即管道承受的最大等效應力升高[12,14]。以上2種作用的綜合競爭導致最大等效應力先減小后增加。

圖8 不同管徑的金屬管道等效應力云圖

圖9 管道等效應力隨管徑變化曲線

3.3 不同運行壓力對管道等效應力的影響

建立管徑為168 mm，壁厚為5 mm，管道內壓分別為1.6、2.5、5、8 MPa、裂縫長度分別為5、10、20、40、60、80 mm的有限元模型，模擬泄漏管道在帶壓密封注劑時的“失效”狀態，分析等效應力值隨管道運行壓力的變化規律。

圖10示出了裂縫長度為5 mm，管道內壓分別為1.6和5 MPa時的管道應力分布云圖，圖11示出了等效應力值隨管道內壓的變化曲線。結果表明：對于同一管徑、壁厚和環向裂紋長度的金屬管道，最大等效應力隨著運行壓力的增大而增大。這是因為運行壓力越大，泄漏量上升，需要施加在堵漏裝置上的注劑壓力越大，從而有效防止泄漏，即管道的最大等效應力越高。

圖10 含環向裂縫缺陷的金屬管道在不同運行壓力下的等效應力云圖

圖11 管道等效應力隨運行壓力變化曲線

4 結論

(1)建立缺陷管道帶壓注劑分析的有限元模型并進行計算，計算結果和實驗數據吻合較好，證實了所用模擬方法的準確性與可靠性。

(2)數值模結果表明：管道的安全注劑壓力隨著裂縫長度的增加而降低，隨著管徑的增大先減小后增大，隨著管道運行壓力的增大而增大。

(3)下一步可繼續研究所用密封卡具膠槽的寬度及膠槽距離缺陷邊緣的距離等其他因素對安全注劑壓力的影響，并通過數值模擬總結出安全壓力的計算公式，編寫計算軟件，方便現場使用，提高作業效率、成功率和安全性。