內壓載荷對含缺陷管段復合材料修復效果影響研究

摘 要：高含硫化氫油氣管道長時間運行后，因管道環焊縫的缺陷導致管道失效的事件時常發生，通過含缺陷管道修復前與修復后的試驗效果對比，分析影響修復效果的主要影響因素。試驗結果表明，在管道極限內壓工況下，含缺陷的環焊縫主要所受威脅主要表現為環向作用力，采用復合材料修復缺陷可增強管道的抗內壓能力；修復后的管道抗屈服能力明顯優于管體本身，可顯著提高含缺陷環焊縫的屈服能力；管道的抗內壓能力得到一定的提升。復合材料修復能在一定程度上提高管道的屈服強度及爆破壓力，對于管道安全運行能起到一定的作用。

關鍵詞：超標缺陷；內壓載荷；缺陷管道；屈服強度；極限承載能力

中圖分類號：TQ314.2"""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0092-05

Study on the effect of internal pressure load on the repair

effect of composite materials in pipe section with defects

LIANG Zhonghong，WANG Xiaowei，ZHANG Fengxia，YUAN Yinchun，ZHANG Yao

（No.2 Gas Production Plant of Southwest Oiland Gas Branch，Sinopec，Langzhong 637400，Sichuan China）

Abstract： After the long?term operation of high?hydrogen sulfide oil and gas pipelines， pipeline failures often occur due to defects in pipeline girth welds， and the main influencing factors affecting the repair effect were analyzed by comparing the test results of pipelines with defects before and after repair.The test results showed that under the ultimate internal pressure condition of the pipeline， the main threat of the girth weld containing defects was the hoop force， and the repair of the defects by composite materials could enhance the internal pressure resistance of the pipeline. The yield resistance of the repaired pipeline was significantly better than that of the pipe body itself， which could significantly improve the yield capacity of the girth weld with defects. The internal pressure resistance of the pipeline had been improved to a certain extent. Composite material repair can improve the yield strength and bursting pressure of the pipeline to a certain extent， and can play a certain role in the safe operation of the pipeline.

Key words： excessive defects；internal pressure load；defect pipeline；yield；ultimate

高含硫化氫天然氣管道作為我國高含硫氣田的毛細血管，其安全運營是民生大事，尤其是高壓輸送高含硫天然氣管道，在長期管道腐蝕［1］及環焊縫缺陷延展導致管道失效的可能性大大提高［2］。根據前期元壩酸氣管道焊縫質量排查工作成果入手，收集管道缺陷數據，利用元壩停產檢維修換管的材料作為研究對象，選擇未熔合缺陷作為試驗對象，利用復合材料修復管道與未修復管道，采用管道靜水壓爆破試驗，用內壓載荷對含缺陷管道的復合材料修復效果開展試驗研究，探索復合材料修復對管道維修效果［3］。

1"" 實驗部分

1.1"" 實驗材料、實驗儀器及系統

為充分了解含未熔合缺陷管道復合材料的修復效果，本次利用管道靜水壓爆破試驗工作原理［4］，采用2種規格型號的在運行對含未熔合缺陷管道修復前、后的靜水壓爆破壓力大小值對比，研究復合材料修復效果［5］。管道采用Φ273 mm×11 mm及Φ323 mm×12 mm，在運行含未熔合缺陷環焊縫管道各2組，修復材料采用玻璃纖維復合材料［6?7］。本次試驗采用HP-SYCXT1800/40 靜態壓力測試系統，該系統主要包括：高壓泵（最高工作壓力40 MPa、最大流量1 800 L/h、功率30 KW）、強制過濾系統、控制系統（壓力測試電氣控制系統、水壓靜態壓力試驗控制程序、水壓爆破試驗控制程序）、壓力傳感系統（壓力測試精度：±0.5% F.S）。

1.2.實驗方法

1.2.1"" 未修復含危害缺陷管段的靜水壓爆破試驗

為研究未修復的危害缺陷管段的極限承載能力，科研小組采用未修復裸管靜水壓爆破試驗及復合材料修復管靜水壓爆破試驗開展研究，選取含不同幾何尺寸缺陷包括深度或長度2組未熔合缺陷的管段，進行實物水壓爆破試驗，同時采用動態應變分析系統對打壓過程中的應變進行監測［4］。記錄爆破試驗壓力時間曲線，屈服壓力，最高壓力、爆破壓力等，分析驗證含未熔合缺陷管段的極限承載能力。樣品缺陷管道基本信息見表1。

（1）未修復試樣編號Φ273-1裸。屈服壓力為17.9 MPa，爆破壓力為21.9 MPa，最大壓力為23.17 MPa ；

（2）未修復試樣編號Φ323-2裸。結合爆破試驗壓力時間曲線及數據可得，Φ323-2裸管，屈服壓力為17.6 MPa，爆破壓力為21.7 MPa，最大壓力為22.24 MPa 。

1.2.2"" Φ273管道爆破應力

樣品編號Φ273-1裸，管長550 mm，壁厚12.7 mm，爆破試驗應變數據如圖1所示。

由圖1可知，當內壓加載至16 MPa后，個別測點已達到彈性極限應變；當內壓從16 MPa加載至20 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側100 mm截面，個別應變測點迅速突變失效，其余測點環向應變增幅較快，其中最多增加了3 190個微應變，說明截面進入塑性狀態。

1.2.3"" 樣件編號Φ323-2裸。

該樣品Φ323-2裸管道長450 mm，壁厚11.8 mm，管道爆破試驗應變數據如圖2所示。

由圖2可知，當內壓從12 MPa加載至16 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面個別測點已達到彈性極限應變，焊縫右側100 mm截面應變測點基本上仍處于彈性階段；當內壓從16 MPa加載至20 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側100 mm截面，基本上應變測點都迅速突變失效，說明截面進入塑性狀態。

1.3"" 水壓爆破試驗

Φ273-1裸管含未熔合缺陷環焊縫截面和焊縫右側100 mm截面位的環、軸向應變變化趨勢如圖 3所示。當加載內壓小于16 MPa時，焊縫截面、焊縫右側100 mm截面處于彈性階段，環向與軸向應變基本隨著內壓的增加呈線性增加。焊縫截面每增加1 MPa內壓，增加85個環向微應變，26.5個軸向微應變，焊縫右側100 mm截面處每增加1 MPa內壓，增加80個環向微應變，22個軸向微應變，同一截面的不同位置應變基本相同，符合理論規律。當內壓超過16 MPa時，管道截面達到彈性極限應變，當內壓繼續增加時，應變發展迅速，各測點環向應變亦快速增長。

由圖3可知，內壓小于16 MPa時，管體各截面基本處于彈性狀態，遠遠小于理論計算的屈服內壓26.3～33.5 MPa；當內壓增加到16～20 MPa時，應變開始急劇增加，管體進入塑性階段；內壓大于20 MPa后，管體接近極限應變。Φ273-1裸管和Φ323-2裸管的爆破內壓均在22 MPa左右。

2"" 含缺陷管段復合材料修復［3］效果內壓載荷應力應變對比試驗研究

2.1"" 修復材料設計參數

選取2個含不同幾何尺寸未熔合缺陷試驗管段，采用復合材料進行修復，并對修復后管段施加內壓，直至修復管段爆破，得出極限狀態下的復合材料修復層的最大環向應力及失效壓力［6］。依《元壩氣田高含硫管道環焊縫安全服役性能分析試驗方案》要求復合材料修復后爆破管道2根，Φ273-1復、Φ323-2復為復合材料修復后爆破管。樣品缺陷管道基本信息見表2。

2組試驗管的兩端采用與管道匹配的封頭焊接密封，試驗前對試樣進行外觀、尺寸、壁厚、無損檢測開展檢查檢查工作（無損檢測應為II合格），確保所有缺陷均在記錄之內，確定缺陷類型的缺陷尺寸。

對于選擇好的含缺陷試驗管段，在開展符合材料修復工作前，再次核準其含缺陷的位置、尺寸及長度，采用酒精等清潔管道表面，保證修復區域的表面光潔。Φ273-1復、Φ323-2復的2組試驗管按照《管道缺陷纖維復合材料修復技術規范（Q/SY GD0215—2011）開展修復工作［7］。根據ISO/TS 24817：2017、ASME PCC-2 —2015，管道爆破復合材料修復層數［8］，如表3所示。

2.2"" 含缺陷管段復合材料修復效果內壓載荷應力應變對比試驗結果

2.2.1"" 試樣編號Φ273-1復（復合材料修復管）

結合爆破試驗壓力時間曲線及數據可得，復合材料修復管Φ273-1復，屈服壓力為17.9 MPa，爆破壓力為22.5 MPa，最大壓力為23.2 MPa。

2.2.2"" 試樣編號Φ323-2復（復合材料修復管）

結合爆破試驗壓力時間曲線及數據可得，Φ323-2復管，屈服壓力為18.2 MPa，爆破壓力為22.4 MPa，最大壓力為22.8 MPa。

2.3"" 水壓爆破試驗結果分析

2.3.1"" 試驗樣件Φ273-1復

該樣件Φ273-1復為復合材料修復管，長710 mm，壁厚11.6 mm，管道爆破試驗內壓-應變數據如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，當內壓加載至16 MPa，截面基本上都處于彈性階段，未達到彈性極限應變1 833 με；當內壓從16 MPa加載至22 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側100 mm截面，所有測點均未失效，環向應變基本呈線性增長，最大測點環向應變為15 204 με，其中最多增加了2 503.8 με，應變發展迅速，說明截面進入塑性狀態。將試驗測試截面所得環向應變數據對比所得，焊縫右側100 mm（母材）截面應變水平小于含未熔合缺陷焊縫截面。

2.3.2"" 試驗樣件Φ323-2復

該樣件Φ323-2復為復合材料修復管長850 mm，壁厚12.2 mm，由管道爆破試驗可知，當內壓加至16 MPa，截面基兩本上都處于彈性階段，未達到彈性極限應變1 833 με；當內壓從16 MPa加至20 MPa，含未熔合缺陷焊縫截面以及距焊縫右側100 mm截面，所有測點均未失效，環向應變最大測點環向應變為10 045 με，應變發展迅速，說明截面進入塑性狀態。

3"" 內壓載荷下對復合材料修復效果影響分析

3.1"" 樣件Φ273管

3.1.1"" 環向應變對比分析

靜水壓作用下Φ273管環向應變隨內壓變化對比，如圖6所示。

由圖6可知，增大內壓至16 MPa后，未修復裸管環焊縫截面測點隨內壓增加，環向應變迅速增大，大多測點迅速失效。而隨內壓增加復合材料修復管環焊縫截面測點環向應變相對增幅較小，基本呈線性增長，直至管道爆破，最大環向應變為16 000 με左右，其余測點應變多在8 000 με；說明復合材料起到修復作用［10］。

3.1.2"" 管道極限狀態數據分析

管道極限狀態數據分析結果如表4所示。

復合材料修復管273-1復管服從屈服壓力、爆破壓力以及最大壓力各方面都高于未修復裸管273-1裸管，說明復合材料起到一定的分擔效果［11］，但仍與理論計算值差距較大。

3.2"" 樣件Φ323管

3.2.1"" 環向應變對比分析

靜水壓作用下Φ323管環向應變隨內壓變化對比，如圖7所示。

由圖7可知，內壓加載至16 MPa后，未修復裸管環焊縫截面測點隨內壓增加，環向應變迅速增大，大多測點產生突變至失效。而隨內壓增加復合材料修復管環焊縫截面測點環向應變相對增幅較小，直至管道爆破，最大應變為10 000 με左右；說明復合材料一定程度上起到修復作用；Φ323-5管（未修復裸管）由于壁厚較厚，且未產生爆破口，此處暫不分析。

3.2.2"" 管道極限狀態數據分析

試驗得到管道極限狀態數據如表5所示。

復合材料修復管323-2復管服從屈服壓力、爆破壓力以及最大壓力各方面都高于未修復裸管323-2裸管，說明復合材料起到一定的分擔效果；但仍與理論計算值有一定差距。

4"nbsp; 結語

（1）在管道極限內壓工況下，含缺陷的環焊縫主要所受威脅主要表現為環向作用力，采用復合材料修復缺陷可增強管道的抗內壓能力［12］；

（2）采用復合材料對管道修復后，修復管道的抗屈服能力明顯優于管體本身，因此，采用復合材料修復，可顯著提高含缺陷環焊縫的屈服能力［13］；

（3）復合材料修復后，管道的抗內壓能力得到一定的提升；

（4）復合材料修復能在一定程度上提高管道的屈服強度及爆破壓力，對于管道安全運行能起到一定的作用。

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