含凹陷管道的適用性評價*

蒲宏斌，石 磊

(1.中國石化天然氣分公司，北京 100029 2.中國石化大連石油化工研究院,遼寧大連 116045)

0 前言

管道凹陷是指因外力撞擊或擠壓造成管道表面曲率明顯變化的局部彈塑性變形[1]。在管道施工建設(shè)及運(yùn)營期間，由于巖石等硬物的擠壓、挖掘設(shè)備和高空墜石的碰撞，管道底部及頂部均可能發(fā)生不同程度的凹陷變形[2-3]。凹陷是管道中常見的幾何缺陷，例如Dawson S J等對歐洲7 022 km的管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)凹陷9 851處，平均每千米1.4處；國內(nèi)某管道長約120 km的管段上共檢測出193處凹陷，平均每千米1.6處，其中深度超過6%的凹陷達(dá)到112處，最大凹陷深度為15%[4]。管道凹陷會引起局部應(yīng)力集中降低其承壓能力，甚至造成應(yīng)力腐蝕開裂。變形較大的凹陷還會阻礙清管器及內(nèi)檢測器等設(shè)備的通過，為管道的檢測及安全運(yùn)行帶來隱患。

根據(jù)管道內(nèi)檢測結(jié)果，確定某在役管道存在管體凹陷，管體凹陷范圍較大、深度較深[5]。現(xiàn)場開挖后，采用常規(guī)尺量網(wǎng)格法對該管體凹陷進(jìn)行檢測獲得實(shí)際幾何尺寸，對比分析不同的凹陷評價方法，并采用ANSYS軟件建立凹陷管道的有限元模型，評估凹陷管道的適用性，為管道的安全維護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 凹陷評估現(xiàn)狀

工程中的管道凹陷評估常以凹陷深度作為判據(jù)，凹陷深度是指凹陷部位管道直徑相比于原始直徑的最大減小量。基于深度的評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，主要采用6%外徑作為修復(fù)含凹陷管道的臨界值。基于深度的評價僅是對凹陷尺寸的簡單處理，無法反映凹陷的應(yīng)力、應(yīng)變集中程度，不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度評價。實(shí)際上，管道凹陷的評價不僅受管徑、凹陷深度、凹陷類型的影響，還受管道壁厚、內(nèi)壓、管材等因素影響，例如焦忠良對不同尺寸的凹陷進(jìn)行研究，指出凹陷區(qū)域的應(yīng)力/應(yīng)變分布還依賴于凹陷的長和寬[6-7]。

表1 基于深度的管道凹陷評價方法

ASME B31.8提出了基于應(yīng)變的評價方法，通過凹陷測試數(shù)據(jù)，采用貝塞爾曲線、樣條插值等方法擬合凹陷輪廓并計算曲率半徑，獲得凹陷最深處的環(huán)向彎曲應(yīng)變、軸向彎曲應(yīng)變和軸向薄膜應(yīng)變，最終計算管道內(nèi)、外表面的等效應(yīng)變，取兩者之中最大值與臨界應(yīng)變比較，評估凹陷的可接受程度。基于應(yīng)變的評估方法考慮了管徑、壁厚、凹陷深度、長度及曲率半徑的影響，相比于基于深度的評價方法，更能反映管道凹陷的實(shí)際情況。規(guī)范中未明確凹陷長度的計算方法，目前常采用凹陷中深度達(dá)到1/2范圍的長度作為其名義長度[8]。規(guī)范中沒有考慮環(huán)向薄膜應(yīng)變和切應(yīng)變的影響。基于應(yīng)變的評價方法較為復(fù)雜，工程實(shí)踐中獲取凹陷的曲率半徑難度較大，因此尚未在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。參考國外管道凹陷評價準(zhǔn)則，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6996《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價方法》要求根據(jù)凹陷形貌信息是否充足來選擇基于應(yīng)變或基于深度的評價方法。

對于現(xiàn)場的含凹陷管道，其應(yīng)力、應(yīng)變分布較難測量，有限元方法能夠準(zhǔn)確的模擬管道的實(shí)際情況，獲得應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)，評估不同工況下的安全狀態(tài)，有助于檢維修決策的科學(xué)制定[9-10]。

2 管道凹陷測量

中國石化管道覆蓋湖北、湖南、江西、安徽各省，具有點(diǎn)多線長、地形復(fù)雜、不可控因素多等特點(diǎn)，隨著管道服役年限的延長，潛在危險不斷增加。2015年陸續(xù)完成了幾何變形檢測和漏磁檢測，獲得大量管道缺陷信息。以武漢、廣水段典型管道為例，對凹陷進(jìn)行開挖驗(yàn)證及現(xiàn)場測試。兩段管道材質(zhì)L415，管徑323.9 mm，設(shè)計壓力9.5 MPa。武漢出站16.67 km處凹陷處壁厚6.35 mm，運(yùn)行壓力1.3～4.8 MPa；廣水出站45.1 km處凹陷處壁厚6.29 mm，運(yùn)行壓力2.0～2.4 MPa。具體信息如表2所示。

表2 管道凹陷參數(shù)

3 基于有限元的含凹陷管道適用性評價

3.1 有限元模型

由于凹陷簡化模型是規(guī)則的，取管道的1/4進(jìn)行有限元建模，管道采用Ansys有限元軟件中的八節(jié)點(diǎn)殼單元shell 181，壓頭采用實(shí)體單元solid 45，壓頭與管道頂部之間為接觸關(guān)系，管道長度取為2 m。在對稱面施加對稱邊界條件，并在管道底部施加約束。為精確計算結(jié)果，在加載區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，在環(huán)向和軸向的其余區(qū)域，等分劃分網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 凹陷管道有限元模型

考慮管道材料的非線性，材料的本構(gòu)關(guān)系采用Ramberg-Osgood模型，屈服強(qiáng)度415 MPa，抗拉強(qiáng)度520 MPa。為模擬管道凹陷的成型過程，采用靜態(tài)分析，將分析過程分為3個步驟：施加內(nèi)壓、通過壓頭施加外部載荷、卸載外部載荷。

3.2 適用性評價

采用設(shè)計壓力及工作壓力分別針對武漢段凹陷、廣水段凹陷進(jìn)行有限元分析，計算結(jié)果的有限元云圖如圖2～圖5所示。

圖2 凹陷處變形(武漢)

圖3 凹陷管道的應(yīng)力及應(yīng)變(武漢)

圖4 凹陷處變形(廣水)

圖5 凹陷管道的應(yīng)力及應(yīng)變(廣水)

武漢、廣水管道凹陷均屬于單純凹坑缺陷。圖2和圖4分別為2條管道凹陷處變形，可見，有限元模型與實(shí)際測量結(jié)果吻合較好，能夠真實(shí)模擬凹陷管道的實(shí)際情況。圖3(a)和圖5(a)分別為武漢、廣水凹陷管道的等效應(yīng)力，2條管道發(fā)生凹陷后，材料產(chǎn)生塑性變形，運(yùn)行壓力下，局部最大等效應(yīng)力均為520 MPa，達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度。圖3(b)和圖5(b)分別為武漢、廣水管道凹陷發(fā)生后的等效應(yīng)變，運(yùn)行壓力下，最大等效應(yīng)變分別為6.6%，6.7%。結(jié)果對比如表3所示。

表3 有限元評價結(jié)果

3.3 修復(fù)建議

根據(jù)SYT 6996：深度大于6%管道直徑的凹陷及應(yīng)變大于6%的凹陷需要修復(fù)。

對于武漢段凹陷管道，凹陷深度(7.7%管道直徑)、應(yīng)變(運(yùn)行壓力下6.6%)均超過維修臨界值，且最大等效應(yīng)力達(dá)到管材抗拉強(qiáng)度520 MPa，應(yīng)立即進(jìn)行維修。結(jié)合GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》及SY/T 6996中凹陷修復(fù)方案建議，同時考慮該凹陷點(diǎn)兩邊300 mm長度范圍內(nèi)管道直徑存在輕微鼓脹，建議換管。

對于廣水段凹陷管道，凹陷深度(6.2%管道直徑)、應(yīng)變(運(yùn)行壓力下6.7%)均超過維修臨界值，且最大等效應(yīng)力達(dá)到管材抗拉強(qiáng)度520 MPa，應(yīng)立即進(jìn)行維修。結(jié)合GB 32167及SY/T 6996中凹陷修復(fù)方案建議，建議采用換管或B型套筒修復(fù)方式。

4 結(jié)論

對比分析國內(nèi)外管道凹陷評價標(biāo)準(zhǔn)，采用基于變形、基于應(yīng)變和有限元方法對在役成品油管道進(jìn)行適用性評估，為管道的安全運(yùn)維提供技術(shù)支撐。

a)根據(jù)國內(nèi)外管道凹陷評價準(zhǔn)則，由于管道頂部和底部的凹陷運(yùn)行工況不同，如管頂凹陷有可能是第三方施工所致，容易發(fā)生回彈，管底凹陷可能由巖石等硬物擠壓引起，因受約束不易發(fā)生回彈，因此，2個區(qū)域的凹陷評價應(yīng)視情況采用不同的準(zhǔn)則。

b)管道凹陷的評價不僅受管徑、凹陷深度、凹陷類型的影響，還受管道壁厚、內(nèi)壓、管材等因素影響，基于深度的評估方法無法準(zhǔn)確反映管道的安全狀態(tài)。相對于基于深度的評價方法，基于應(yīng)變的評價方法考慮了凹陷的長度、曲率等，考慮因素更為全面、合理，但仍有進(jìn)一步完善的空間，如凹陷長度的計算方法尚未統(tǒng)一，且此方法中沒有考慮環(huán)向薄膜應(yīng)變和切應(yīng)變的影響。

c)根據(jù)現(xiàn)有凹陷評價方法，對現(xiàn)場管道進(jìn)行凹陷尺寸測量，從凹陷深度、應(yīng)變、應(yīng)力3方面，評估了管道的安全性，給出了合理的修復(fù)方案。

d)對于深度大于6%管道直徑的凹陷，應(yīng)結(jié)合有限元分析方法進(jìn)一步評估，綜合考慮管道的應(yīng)力應(yīng)變水平，提出維修維護(hù)措施。