基于鋼制環氧套筒的環焊縫缺陷軸向修復效果分析

尚飛，黃永恒，吳永君，吳興林

國家石油天然氣管網集團有限公司西氣東輸分公司（湖北 武漢 430070）

天然氣管輸是目前天然氣最安全、有效的輸送方式，但作為一個龐雜的系統工程，任何一處問題都將影響整個系統的安全平穩運行[1]。近年來，由于我國高鋼級管道建設里程的逐年增加，環焊縫數量龐大[2]，高鋼級管道環焊縫的質量與安全問題突出[3]，環焊縫缺陷問題引發的失效事故呈增長趨勢[4-5]，直接影響管道的安全運行[2]。環焊縫的失效模式主要為斷裂[6]，2018 年中緬管道“6.10”泄漏燃爆事故及2019 年泰青威天然氣管道“3.20”泄漏爆炸著火事故均與環焊縫質量相關[2，7-8]。受環焊縫缺陷治理“窗口”等因素限制，目前國內主要采取鋼制環氧套筒的不動火修復方式進行臨時修復或永久修復[9-15]，并以其環向承載能力評估缺陷的修復效果，未對其軸向抗拉能力進行系統評估[16-17]。因此，本文在Φ508 mm鋼管環焊縫上制造人工缺陷，利用鋼制環氧套筒進行缺陷修復，并對修復后的鋼管進行全尺寸拉伸試驗，以對鋼制環氧套筒的軸向抗拉能力修復效果進行評估。

1 方案設計

為有效開展鋼制環氧套筒軸向修復效果的全尺寸拉伸試驗，首先需要在D508 mm×9.5 mm（X52鋼級）管材的環焊縫上人工制造整圈的外表面環向溝槽缺陷，缺陷軸向寬度約為25 mm，深度約為5.7 mm，以降低管材的軸向承載能力，便于定量評價鋼制環氧套筒修復的軸向載荷能力。在安裝鋼制環氧套筒前，先在環焊縫9點鐘、12點鐘的缺陷部位及距離缺陷200 mm 的管體上各安裝一只應變片傳感器，然后利用鋼制環氧套筒對環焊縫缺陷進行修復，最后在鋼制環氧套筒外部的6點鐘、12點鐘部位及管體6點鐘部位各安裝一只應變片傳感器，如圖1所示。

圖1 應變片安裝位置示意圖

鋼制環氧套筒灌注結束后，按工藝要求進行靜置，以等待環氧樹脂固化。待上述準備工作全部完成后，利用ZYNS-W2000拉伸試驗機對修復后的管材進行試驗，全尺寸拉伸試驗過程如圖2所示。

圖2 鋼制環氧套筒軸向修復效果全尺寸拉伸試驗流程框圖

2 試驗結果及分析

以6 mm/min 的速率對修復后的管材進行全尺寸拉伸試驗，分別在100、500、800、1 000、1 500、2 000 kN及2 500 kN位置保持30 s，在2 500 kN后持續拉伸直至管材被拉伸斷裂,試驗拉力與時間的曲線如圖3所示。

圖3 試驗拉力與時間的關系曲線

從圖3分析可知，試驗管材在3 854 kN時，拉力突然釋放，說明管材已被試驗機拉斷，該拉力遠低于無缺陷鋼管的理論軸向承載能力7 758 kN。與此同時，可以通過環焊縫上安裝的1#和3#應變片進行互相應證，如圖4所示。

圖4 環焊縫上的應變量與軸向拉力的關系曲線

從圖4分析可知，試驗拉力在100～2 000 kN時，環焊縫上應變片的拉伸量變化很小，超過2 000 kN后，應變片的拉伸量明顯加快，約在3 750 kN 時，應變片的拉伸量快速增大，說明環焊縫在快速被拉伸，直至圖3所示的3 854 kN時被突然拉斷。

為進一步分析鋼制環氧套筒對環焊縫缺陷的軸向修復效果，對鋼制環氧套筒上的5#和6#應變片、管材上的2#、4#和7#應變片進行應變對比分析，如圖5所示。

圖5 鋼制環氧套筒及管材上應變量與軸向拉力的關系曲線

從圖5分析可知，試驗拉力在500～1 500 kN時，在同一拉力下，鋼制環氧套筒表面及其內部管體的應變量基本一致，且明顯小于套筒外側7#傳感器的應變量，說明鋼制環氧套筒較好地承載了軸向應力。在1 500 kN時，鋼制環氧套筒外部的6#傳感器的應變量突然減少并接近0，說明鋼制環氧套筒底部與管體脫離，管材上的拉力無法傳遞到鋼制環氧套筒并引起形變。

試驗拉力在1 500～2 000 kN時，在同一拉力下，鋼制環氧套筒表面及其內部管體的應變量雖然整體小于套筒外側7#傳感器的應變量，但是在同一時鐘方位上，套筒表面5#傳感器的應變量明顯小于管體表面4#傳感器的應變量。在2 000 kN時，套筒內部2#傳感器的應變量突然增大，并于套筒外側7#傳感器的應變量基本一致，且后續試驗同步增長，說明鋼制環氧套筒在2#傳感器的安裝部位已與管體脫離，管材上的拉力無法傳遞到鋼制環氧套筒上引起形變。

試驗拉力在2 000～2 500 kN 時，在同一拉力且同一時鐘方位上，鋼制環氧套筒表面5#傳感器的應變量明顯小于管體表面4#傳感器的應變量，在2 500 kN時，套筒表面5#傳感器的應變量突然變小，管體表面4#傳感器的應變量突然增大，說明鋼制環氧套筒在管頂4#傳感器的安裝部位已與管體脫離，管材上的拉力無法傳遞到鋼制環氧套筒上引起形變。

從上述分析結果可知，鋼制環氧套筒在軸向拉力下，套筒與管體分離共分為3個階段：第1個階段套筒與管體未分離，與管體一同承擔較好的軸向拉力；第2個階段套筒與管體逐步分離，在未分離的部位承擔部分軸向拉力；第3 個階段套筒與管體完全分離，不能承擔管體的軸向拉力。

為定量分析鋼制環氧套筒的軸向承擔拉力或強度，對管體各監測點的理論軸向應力進行計算，并與拉伸試驗的實際拉力進行對比，經過計算可知，鋼制環氧套筒在最大壓力下，約承擔765 kN 的拉力，主要通過套筒與管體之間的環氧樹脂進行軸向剪切應力的傳遞，剪切強度約0.92 MPa。

3 結論

通過對鋼制環氧套筒修復后的管材進行全尺寸拉伸試驗，并對套筒內外的應變量進行分析，可以得出以下結論：

1）在較小的軸向拉力下，鋼制環氧套筒能夠全部或部分承擔管體上的軸向拉力；在較大的軸向拉力下，鋼制環氧套筒與管體逐步分離，分離部位不再承擔管體的軸向拉力，未分離部分仍承擔管體上的部分軸向拉力，但是套筒表面的應變量比管體上的應變量小，其承擔的軸向拉力也相應較小。

2）根據GB/T 36701—2010《埋地鋼質管道管體缺陷修復指南》的要求，鋼制環氧套筒修復后的承壓能力不低于管道的原設計壓力，未對軸向的修復效果進行要求。然而，本試驗結果表明D508 mm×9.5 mm（X52 鋼級）管道的最大剪切強度僅為0.92 MPa，對管道環焊縫缺陷軸向補強能力有限。因此，鋼制環氧套筒不宜用于對山區地段等軸向應力較大的管道環焊縫缺陷進行補強修復，以防止管道軸向拉伸斷裂后，鋼制環氧套筒的填充樹脂脫落管體造成氣體泄漏失效。