站場架空管道應力檢測方法研究與應用

李 恒 趙金強 丁彥龍 王新慧

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

天然氣作為最常見的一種潔凈優質能源,在工業生產和民用等領域得到了廣泛的應用,其中壓力管道是天然氣輸送的主要方式。根據國家市場監管總局最新通告,截至2020年底,我國壓力管道總長已達101.26萬km[1]。隨著管道數量的急劇增長,因地基沉降、操作參數和工藝流程改變等諸多因素影響,在運行過程中發生結構位移,致使管道變形、傾斜及破壞的現象頻頻發生,甚至產生局部應力集中,存在重大的安全隱患。如何有效地保障站場管道安全運行,對結構位移發生變化后管道的檢驗檢測方法的研究是十分必要的[2]。

站場壓力管道檢驗檢測國內主要參照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》進行,以常規的宏觀檢查、壁厚測定以及焊縫檢測為主,相對位移管道檢驗需求,沒有針對性,不能從根本上排除隱患。本文在近幾年來站場管道檢驗檢測方法研究的基礎上,結合工程實例,提出了一種高效有針對性的檢測方法,并制定整改措施,有效地指導使用單位排除安全隱患。

1 機理分析及技術路線

1.1 機理分析

站場架空管道受力情況主要有：1）管道自重,包含連接閥門、計量儀器、保溫層等管道附屬件；2）管道介質；3）管道運輸介質時,介質振動或沖擊對管道產生的荷載力；4）管道基礎的支撐力或管卡的約束力；5）管系之間的互相約束力等。

管道發生結構位移,導致應力集中的常見原因有：1）管系改造,原結構發生改變,原受力平衡被打破；2）運行工藝或操作參數發生變化,管道承受的壓力或介質產生的載荷力發生變化；3）管道基礎發生沉降或上升,管道的受力結構發生變化,產生應力集中,進而發生形變,尤其是焊縫部位是管道本體的薄弱點等[3]。

1.2 檢驗檢測技術路線

基于站場架空管道受力的情況及位移原因,提出如下檢驗檢測方法,如圖1所示。

圖1 檢驗檢測技術路線圖

具體內容：1）收集調研管道設計、施工及運行資料,特別是存在改造維修或工藝參數發生改變的相關資料；2）參照TSG D7005—2018對管道進行宏觀檢查,記錄現場可見的位移或形變尺寸,并繪制管道單線圖；3）根據現場調研結果,采用專業力學分析軟件對管系進行應力分析,計算確定應力集中部位；4）根據應力分析結果,采用X射線衍射應力檢測及焊縫檢測設備,對選定的部位進行檢測,根據檢測結果提出整改方案；5）根據整改方案,現場整改并復檢,檢驗合格后出具報告[4]。

2 應用實例

以某油田站場的1處發生位移的管系為例,進行分析討論。

2.1 資料收集

該管道投用于2006年,規格分別為φ914 mm×26.2 mm（材質 L480）、φ711 mm×20.6 mm（材質L415）、φ337 mm×15.9 mm（材質L245）,介質為天然氣,設計/運行壓力為10/6.3 MPa,運行溫度為常溫,該管線投用后工藝及操作參數未發生改變,且未有改造、修理及改線等行為。2020年5月,站內工作人員發現管線架設區域地基沉降,進出氣匯管及中間聯絡管線明顯上浮,局部管道已出現脫離支吊架的現象,部分現場宏觀照片見圖2。

圖2 管道位移現場宏觀照片

2.2 宏觀檢查及單線圖繪制

現場實地調研發現該管線架設區域地基下沉,管道多處發生位移現象,鑒于現場條件有限,無法進行全面的測算,根據支吊處位移的痕跡推算出實際管道的位移量,現場采集的管線位移情況見表1。

表1 管線位移量統計

根據管道分布情況,繪制單線圖,如圖3所示。

圖3 現場工藝管道單線圖

2.3 管系應力分析

利用ANSYS有限元軟件,根據所調研資料進行建模,管道直管選取PIPE16單元,彎管選用PIPE18單元,閥門采用MASS21質量單元模擬,忽略管道焊縫以及其他附屬構件。在常溫狀態下,管道彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,所建有限元模型如圖4所示。

圖4 位移管段有限元模型

根據該段管線的實際架設情況,對其進行約束,并施加位移、內壓和自重載荷,通過軟件模擬應力分析,位移管段的應力云圖如圖5所示。從圖5中可知,管線的最大應力位置位于第5條聯絡管線與出氣管線連接處,最大值為320 MPa；在支架6位置處、第4條聯絡管線與進氣管線連接處、第5條聯絡管線與進氣管線連接處、第4條聯絡管線與出氣管線連接處、支架3位置處、第3條聯絡管線與進氣管線連接處的應力也較大,分別為 266 MPa、253 MPa、247 MPa、231 MPa、191 MPa和159 MPa,見表2。其中,第5條聯絡管線與出氣管線連接處、支架6位置處、第4條聯絡管線與進氣管線連接處、第5條聯絡管線與進氣管線連接處的應力均超過聯絡管線管材的屈服強度245 MPa,應重點關注。

圖5 位移管段的應力云圖

表2 應力分析與現場實測結果比對

2.4 現場檢測、提出整改措施

使用X射線應力檢測儀對理論分析發現的應力值較大位置選點進行材料內部真實應力定量測試,檢測發現實測應力值與應力分析的結果基本一致,前后數據比對結果見表2。同時利用射線檢測的方法對管道的所有連接焊縫進行了檢測,未發現超標缺陷。

由理論分析及現場實測結果可見,管線的4處應力值均超過管材的屈服強度,其中最大值超過屈服強度33.9%,另外3處也存在明顯的應力集中現象,繼續運行存在較大的風險。建議在站內停車的情況下,采取以下措施：加固管道架設區域及周邊的地基；調整或更換受損的管道支吊架,使管線內部應力得到釋放,重新約束管線；站場管理人員采取相關措施保證管道內部介質輸送平穩,減少振動沖擊；待整改后對管系重新進行應力分析,并再次現場檢測驗證。

3 結束語

管道發生位移是站場管道常見的一種失效方式,且具有較高的風險,使得其安全性越來越受到重視。常規的檢測方法不能有效地發現和排查根本隱患,采取有效的理論預分析,再進行現場檢測驗證,針對性地制定措施,可避免盲目地實施整改,在一定程度上有效地降低了工程成本。另外除了專業性檢測,站場管理人員也應從工藝方面改進,從而避免此類隱患的發生,以及在日常運行維護中加強監測對管線的安全運行來說極為重要[5]。