油氣管道的撓曲強度研究

趙明(中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北 廊坊 065001)

0 引言

本研究的目的旨在探討輸油氣鋼管在承受高內壓與撓曲作用下的極限撓曲強度與韌性行為，并評估現行的全圓周套管焊接修補及對焊接合的方式于撓曲行為的影響。試驗方式以油壓致動器在距鋼管兩端三分之一管長處施加側向拉力，擷取試體變位及應變的資料，進行整理與討論。

1 試體規劃與制作

本試驗的試體共分三組，第一組試體是外徑為219 mm(8 5/8″)，厚度為 8.18 mm(0.322″)的八吋鋼管，第二組試體是外徑為 273 mm(10 3/4″)，厚度為9.27 mm(0.365″)的十吋鋼管，第三組試體則是外徑為 324 mm(12 3/4″)，厚度為 9.53 mm(0.375″)的十二吋鋼管，其徑厚比分別為 27、30 與34。

三組試體的鋼管長度均在6 000 mm 左右，鋼管上標示有鋼管基本資料。八吋鋼管與十吋鋼管均采用API 5L Gr. B的材質，十二吋鋼管采用 API 5L X52的材質，所采用的鋼管尺寸與鋼管材質皆與中油目前所定的規格相同，Gr. B適用于低壓管線，而 X52 則用于高壓管線。三組試體中的每一組皆包含1根完整、1根對焊接合與2根全圓周套管焊接修補的鋼管，每組4根，共計12根鋼管。對焊接合試體的焊接方式采用全滲透焊，焊接程序完全依照管線工程施工說明書的規定。套管長度應至少102 mm(4″)以上，其材質強度不應低于鋼管強度[1]。

試驗于鋼管內注水，管壁厚度為0.322英吋，其試驗壓力值為1 570 psi(10.78 MPa)，水壓試驗壓力值的決定為依據管線的設計壓力。設計壓力的公式為：

式中：P為設計壓力(psi)；S為鋼管標稱降伏強度(psi)；D為鋼管外徑(in)；t為管壁厚度(in)；于考慮地區分類2級時，基本設計因子F=0.6，鋼管材質為API 5L時，縱向接合因子E=1.0，考慮為室溫下時，溫度降級因子T=1.0，故表達公式為：

即管線內壓力所造成的環向應力等于60%的鋼管標稱降伏強度。故八吋鋼管、十吋鋼管及十二吋鋼管所加的水壓依次為 10.78 MPa(1 570psi)、9.8 MPa(1 430 psi)及12.64 MPa(1 835 psi)。

2 試驗設置與步驟

2.1 試驗設置

試驗機使用極限載重為50 t、最大拉伸行程為±200 mm的MTS油壓致動器，采用位移控制的方式施加側向拉力，位移速率設定在每分鐘5 mm。為達到鋼管在純彎下撓曲的狀況，本試驗在距鋼管兩端三分之一管長處施加側向拉力，使得鋼管中段受到純彎矩的作用。力量的施加為MTS試驗機施加側向力于一H型鋼梁，此鋼梁再藉由兩端的螺桿施加等值側向力于鋼管上。為了防止施力點產生鋼管局部挫屈的現象，在鋼管上包覆橡膠墊。鋼管試體置放于兩端的基座上，鋼管兩端的端板與基座接觸點可自由滑動，以確保兩端為輥支承。

鋼管上的加壓孔連接手控水壓幫浦，水注滿鋼管后，將水壓計安裝至注水孔上，作為讀取再行加壓時管內水壓大小之用。為進一步了解鋼管撓曲的行為，于距鋼管兩端三分之一管長處及靠近中點的位置架設位移計以量測鋼管撓曲之后的變形量，并于鋼管的張力側、壓力側及頂端沿軸向黏貼應變計，分別為應變計SGT、SGC及SGN，以記錄試體的軸向應變，此外，在頂端還加貼沿環向的應變計SGH，以記錄鋼管的環向應變狀態[2]。

2.2 試驗步驟

(1)將MTS油壓致動器水平安裝至反力墻上。

(2)將H型鋼梁與油壓致動器以螺栓鎖緊固定。

(3)組裝輥支承鋼板與鋼管試體。

(4)將試體放置定位于兩基座上。

(5)安裝、架設位移量測儀器及資料擷取系統。

(6)將手控水壓幫浦接上加壓孔，開始注水于鋼管內。

(7)水滿后，安裝水壓計于注水孔上并開始加壓。

(8)水壓達到預定值后，啟動油壓制動器，對試體進行預拉試驗，以檢驗試驗裝置與量測儀器是否無誤。

(9)檢驗無誤后，以位移控制來施加側向力，并由資料擷取系統同步讀取試驗數據。

(10)觀察并記錄試驗進行時的鋼管撓曲行為。

(11)當鋼管撓曲變位接近400 mm時，停止試驗進行。

3 試驗結果

本試驗對鋼管所能提供在施力點的側向變位最大可達400 mm，顧及儀器使用安全的因素，試驗于施力點變位接近400 mm即停止。

試驗開始后一段時間內，由監控的側向力-變位曲線得知試體處于彈性階段，當側向力再逐漸增大后側向力-變位曲線顯現出其斜率逐漸變小，判斷鋼管已有局部降伏，達降伏撓曲強度后，側向力-變位曲線呈現約略等值的上升線，直至試驗停止。

停止試驗后，觀察試體發現：在將近400 mm的變位下，鋼管試體因徑厚比小，皆無明顯的破壞狀況發生，而有施加初始水壓的鋼管試體觀察水壓計上的讀數顯示試驗停止后鋼管試體內的水壓較初始水壓為小，應為鋼管變形后的體積較原體積為大所導致。由MTS控制系統所顯示的載重-變位曲線得知，除試體P12SO外，其余試體均無強度下降的現象，此試體強度的下降乃因螺桿施力點鋼管產生局部挫屈現象而造成。為討論各試體的側向力-變位關系，將相對應兩位移量測儀器所量取的鋼管側向變位取平均值，以資比較各試體的撓曲強度與行為[3]。

3.1 第一組試體

試體P08系列的側向力-變位關系及側向力-應變關系，此組鋼管在試驗停止后的最大側向力在60～70 kN之間，最大張應變在 0.009～0.016之間，顯示鋼管局部已達應變硬化階段，環向應變顯示環向應力值變化不大；試體P08SP因試驗儀器發生問題的緣故，僅位移至250 mm便停止，而有施加初始水壓的鋼管試體在試驗停止后的水壓值在4.90～8.82 MPa之間。

3.2 第二組試體

試體P10系列的側向力-變位關系及側向力-應變關系，此組試體在試驗停止后的最大側向力在118～128 kN之間，最大張應變在0.015～0.023之間，顯示鋼管局部已甚為降伏，而有施加初始水壓的鋼管試體在試驗停止后的水壓值在5.88～6.37 MPa之間。

3.3 第三組試體

試體P12系列的側向力-變位關系及側向力-應變關系，此組試體在試驗停止后的最大側向力在190～200 kN之間，最大張應變在0.021～0.025之間，而有施加初始水壓之鋼管試體在試驗停止后的水壓值在7.35～7.55 MPa之間。

4 結果與討論

鋼管試體在側向力作用下，取試體P08SO為例，以等階段的側向力顯示其側向變位情形如圖1所示，在一開始的加載至52.5 kN之中，試體均呈現小幅的側向變位，但側向力在52.5～70 kN之間，側向變位大幅的增加，顯現鋼管試體已局部進入塑性行為，其勁度大幅滑落[4]。

結果顯示以側向力-變位曲線求得試體的彈性勁度與塑性勁度，各組試體的彈性勁度約略相等，八吋、十吋與十二吋鋼管各組試體彈性勁度平均值的比值為1∶2.39∶3.63，其彈性勁度接近各組試體慣性矩的比值為 1∶2.2∶3.85。各組試體的塑性勁度與彈性勁度的比值范圍為3%至5%間。

根據各試體的側向力-變位曲線，以脫離線性范圍的第一點為降伏點，此時的側向力為Py，側向變位為yA˙˙，將Py乘上輥支承中心至側向力作用點的距離X ，即可求得降伏撓曲強度My,test，如下所示：

所求得的各試體降伏撓曲強度My,test、塑性撓曲強度M8yA˙˙。

由結果可知，在降伏撓曲強度方面，以各組試體的SO試體最高，而SP試體次之；而各組試體在8yA˙˙下，除試體P10SO外，其余各組試體的SO試體均擁有最高的彎矩容量，而SP試體次之，顯示無內壓力的試體擁有較高的降伏撓曲強度及極限撓曲強度。

4.1 鋼管接合方式的影響

考慮相同內壓力情況下，比較P-XX、P-XX-SP及P-XX-BW試體，由圖1、圖2可知在撓曲強度方面，八吋鋼管的強度大小是P08SP>P08BW>P08；十吋鋼管，強度大小順序不變，但P10BW與P10的極限撓曲強度極為接近；十二吋鋼管，強度大小依序為P12SP>P12>P12BW，P12與P12BW 的強度亦差異不多。上述結果顯示套管焊接修補的鋼管的撓曲強度大于完整及對焊的鋼管，可見經過套管焊接修補后，亦有助于鋼管極限撓曲強度的提升。且對焊鋼管的極限撓曲強度與直管的強度極為接近。據研究，鋼管對焊接合后所引起的環向收縮將會導致鋼管產生一環向的殘留壓應力，而此一殘留壓應力將會延緩鋼管試體降伏的產生，并提高鋼管的撓曲強度，但此殘留壓應力的值卻會隨著鋼管尺寸的增大而減小，因此本試驗的鋼管試體 P08BW 由于該環向殘留壓應力的影響，導致該試體的撓曲強度大于試體P08，而隨著鋼管尺寸的漸增，環向殘留壓應力的影響逐漸變小，故試體P10BW的撓曲強度雖仍大于試體P10，但已甚為接近，直至試體P12BW，該殘留應力的影響更為微小，使得該試體撓曲強度低于試體P12。

圖1 試體 P08SO 側向變位圖

圖2 試體P08、P08SP及P08BW側向力-變位關系比較圖

4.2 管內壓力的影響

于考慮管內壓力有無的影響，比較SP系列及SO系列的試體，由結果可知，除試體P10SO外，無內壓的鋼管試體其強度均大于施加內壓的鋼管試體，故內壓力會降低鋼管的極限撓曲強度。

5 結語

(1)相較于小地層變位易受損的管線接頭，API 對焊接合提供管線穩定的撓曲強度與優良的韌性行為。

(2) API 5L 鋼管在受到撓曲作用之后，其側向變位一開始維持彈性，隨著撓曲彎矩的增加，鋼管在進入塑性行為之后，勁度大幅滑落，側向變位急遽上升，其塑性勁度與彈性勁度的比值范圍在3%～5%之間。

(3)地下管線由于長期埋在地底下，可能會因銹蝕或其他外在因素而破損泄漏，除了一般的更換修補方式外，若考慮該地下管線必須維持原有的撓曲強度甚或提高，可采用全圓周套管焊接修補的方式，此一方式能夠有效維持鋼管的撓曲強度與變形能力。

(4)管內壓力的存在，對鋼管撓曲強度將造成負面的影響，所以對于高壓地下管線應定期監控與檢測，以確保管線正常運作。