玻璃纖維復合材料用于干線管道整體加強適用性分析

孫傳青(中石化天然氣榆濟管道分公司，山東濟南250101)

0 引言

隨著我國工業的發展及對環境保護要求的提高，天然氣作為一種清潔能源，其用量逐年增加[1]。干線管道在建設初期會根據沿線居民戶數和(或)建筑物的密集程度劃分為四個地區等級，管道設計單位會根據不同的地區等級設計不同的壁厚，通過壁厚來規定不同地區等級的管道安全裕量。隨著城市建設的不斷加快，管道周邊建筑及人員密集程度逐漸發生變化，原本屬于低風險區域的管道逐漸發展為高后果，地區等級也相應提高，但是管道仍然是建設初期的管道，其壁厚、管徑、承壓能力等參數不會發生改變，此時管道所面臨的問題主要是隨著地區等級的提高其安全裕量不足。

干線管道一般遠離城市鋪設，但隨著城市發展擴大，距離管道越來越近，因此管道地區等級也在不斷變化，一旦位于高后果區的管道發生失效，其后果不堪設想。本文以玻璃纖維復合材料作為研究對象，通過對靜水壓測試及對應力應變數據結果進行分析，定量分析玻璃纖維復合材料用于整體管段加強的實際作用效果，為管道提高安全裕量、提升高后果區治理水平提供指導性建議。

1 整體管段玻璃纖維復合材料加固試驗

1.1 試驗思路

通過對完整管道不同位置進行玻璃纖維復材補強(修復I處為按照強度設計系數從0.72升級到0.60并根據ASME PCC-2計算的修復層數，修復II處為修復I處一半層數)，然后進行一系列壓力測試，獲取不同位置處環向應變數據，同時分別對未補強處，復材修復II處，復材修復I處的應變數據進行對比分析。最終完成玻璃纖維復材用于提高管道安全系數做出驗證。

1.2 試驗過程

靜水壓試驗裝置由金屬試驗管、水壓泵、高壓管、監控系統及電阻應變計組成，試驗管由鋼管、標準橢圓封頭及進出水口組成，試件管長1m，管徑219mm，管壁厚6mm，材質L245。如圖1所示。

圖1 應變片布置圖

試驗采取逐級加載法，每級加載增量為1MPa直至試驗管爆破，試驗過程中采集各測點應變數據。試驗結果顯示在29MPa內壓下，修復II處復材修復厚度只有按標準計算的一半，因此內壓已達到修復復材應變極限，復材料兩端邊緣出現破壞；修復I處復材修復層數有合理的安全余量，修復處復材接近破壞階段但未發生破壞，管道進水口焊縫位置因管道發生明顯屈服膨脹而破壞。如圖2所示。

圖2 試驗管爆破圖

1.3 試驗結果分析

1.3.1 基于兩處修復點及管道參考點應變對比分析

圖3 內壓-環向應變曲線

試驗管件破壞分為兩個階段：第Ⅰ階段為線性階段，區間為0～24MPa。第Ⅱ階段為非線性階段，區間為26～29MPa。在第Ⅰ階段中，隨著內壓的增加，復材修復I處、復材修復II處、管道參考點環向應變呈線性增加，環向應變變化值幾乎一致，在第Ⅰ階段管道的環向應變情況與管道是否補強無關。即此階段管道是完整管道為主要承力結構，復材修復有部分分擔。

在第Ⅱ階段中，根據力學理論分析可以得出，管道參考點已經進入屈服階段，并且接近極限應變值。修復II處的管道雖然也處于屈服階段，但是相較于參考點管道能夠延緩達到極限應變的內壓值，使復材修復II處補強位置的管道能夠承擔更大的內壓值達到極限應變。復材修復I處的管道，其環向應變相對于隨內壓增大的程度最小，當內壓為27MPa時，參考點和復材修復II處的管道已經進入屈服，復材修復I處補強位置的管道剛開始進入塑性階段，對應的環向應變分別為7038.5με，4077με和1643.5με，以參考點應變值作參考，復材修復II處補強位置管道環向應變為參考點環向應變值的57.93%，復材修復I處管道環向應變為參考點環向應變值的23.35%。

由圖3分析可知：(1)試驗管件隨著內壓增加表現為管道膨脹變形，由于試驗管件局部采用了玻璃纖維復合材料進行加強處理，加強區域變形量明顯低于未加強區域，玻璃纖維復合材料可有效抑制管道地塑性變形。(2)通過修復I處和修復II處復合材料應變數據分析可知：復合材料加強的層數越多，越有利于減緩管道環向應變的增加。

1.3.2 基于TES法判定分析

試驗選取升級系數最大的一級地區升為二級地區進行分析，強度設計系數從0.72升級到0.60，由于復合材料與鋼管彈性模量的差異，基于材料彈性屬性的設計方法不再適用。需要采用基于應變的設計方法，即“極限設計”。極限設計可以通過實測應變結果得到，也可以在一些假設下推導出可用的解析公式。

假設允許完好管道在內壓下屈服，而采用TES(二倍彈性斜率法)決定它的極限荷載。

管材屈服前，其應力應變關系為：

式中：Es為管材彈性模量；σs和εs分別為試驗管材的應力和應變。

將管材屈服后的應力應變曲線擬合為：

將式(1)、(2)代入Balow公式，可知管道中，載荷—內壓P與環向應變的關系，試驗管材環向應變仍然用εs表示：

管壁屈服前：

管壁屈服后：

圖4 TES示意圖

在圖4中，式(3)對應直線段AB，式(4)對應曲線BC，直線AC的方程是：

注意式(5)中的P不是真實壓力，只是εs-P關系中的坐標。可見式(5)是直接由式(3)擴大為兩倍斜率得到。

聯立式(4)和式(5)，可以解得εmax和PTES，為：

本試驗中管徑直徑為219mm，壁厚6mm，根據實驗數據屈服應變對應的內壓為24MPa，極限應變對應的內壓為27MPa，通過公式σ環=PD/2T求得屈服應力為438MPa和抗拉強度492.75MPa，進而擬合出來公式(2)中的k=5.5168e+08和N=0.0332，所以公式(2)為：

按式(6)得出εmax為5516με已知由于地區升級，產生的壓強差為2.88MPa，在應變值為2376με時，未補強管道對應的內壓值為26MPa，復材修復II處補強位置管道對應的內壓值為26.5MPa，復材修復I處補強位置管道對應的內壓值為29MPa。

由以上分析可知：

(1)復材修復II處(按標準計算修復層數的一半)補強位置管道壓強補償差為0.5MPa，因此，雖然復材修復II處補強位置能增大管道極限應變，但不足以補償等級升級導致的壓強差。

(2)復材修復II處(根據ASME PCC-2計算修復層數)補強位置管道壓強補償差為3MPa，大于地區等級升級產生的壓強2.88MPa，所以復材修復II處補強能夠補償等級升級導致的壓強差。

2 結語

(1)文章采用的金屬試驗管件靜水壓+應變監測的試驗方法可為今后類似的試驗提供參考。

(2)通過不同玻璃纖維修復層數應變數據分析及Test法推導計算，證明了玻璃纖維復合材料可有效實現對整體管段的加固處理，提高安全系數，但要達到預期效果需按照ASME PCC-2-2015《壓力設備和管道的維修》進行層數設計。

(3)通過本文試驗驗證結果可為城市燃氣干線管網玻璃纖維復合材料用于整體管段加強提供理論支持，為解決由于地區等級升級帶來的安全裕量不足高后果區隱患治理提供實際指導意義。