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        碳纖維復(fù)合材料修復(fù)帶缺陷儲氣井的應(yīng)力分析及試驗(yàn)研究

        2020-04-22 12:18:46王曉橋張永紅徐擁軍張煙生
        壓力容器 2020年3期
        關(guān)鍵詞:井井井管儲氣

        王曉橋,張永紅,徐擁軍,王 鑫,張煙生

        (1.陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院,西安 710048;2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100019)

        0 引言

        隨著天然氣使用規(guī)模的逐步擴(kuò)大,對天然氣安全技術(shù)的要求也越來越高。儲氣井作為天然氣汽車加氣站的主要儲氣設(shè)備,具有占地面積小、消防半徑低、儲氣溫度恒定、設(shè)計(jì)壽命長等優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)90年代以來被逐漸推廣應(yīng)用,并已在天然氣調(diào)峰站、企業(yè)儲氣庫、城鎮(zhèn)儲配站等領(lǐng)域得到應(yīng)用。儲氣井是一種埋地管狀新型儲氣設(shè)備,典型的儲氣井結(jié)構(gòu)如圖1所示,它主要由井口裝置、井管、井底裝置及固井水泥環(huán)豎直埋于地下組成。

        圖1 儲氣井結(jié)構(gòu)示意

        隨著儲氣井的大量推廣應(yīng)用,逐漸暴露出許多問題,主要集中在腐蝕和設(shè)計(jì)方面,其中以井管外壁腐蝕方面的問題尤為突出(見圖2)。

        由于儲氣井井管外壁腐蝕情況比較普遍,導(dǎo)致大量儲氣井裝置被迫降壓使用或停用,所以為保證儲氣井的安全使用,減少減壓使用和停用儲氣井裝置產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失,研究在役儲氣井井管外壁腐蝕缺陷的修復(fù)方法勢在必行[1-4]。

        圖2 儲氣井井管外壁腐蝕實(shí)例

        1 含缺陷儲氣井井管及碳纖維修復(fù)后井管的應(yīng)力分析

        1.1 儲氣井井管規(guī)格及材料性能

        目前運(yùn)行儲氣井主要的規(guī)格與材料性能如表1所示。

        表1 儲氣井井管規(guī)格及材料性能

        1.2 含缺陷儲氣井井管應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算及疲勞性能校核

        對兩種規(guī)格、含不同缺陷的儲氣井井管進(jìn)行應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算及疲勞性能校核,缺陷類型及尺寸如下。

        (1)環(huán)形缺陷:缺陷尺寸為儲氣井全周,軸向長度50~200 mm,深度2~6 mm。

        (2)局部缺陷:簡化為長方形缺陷,缺陷尺寸為環(huán)向角度30°~90°,軸向長度50~200 mm,深度2~6 mm。

        (3)點(diǎn)狀缺陷:缺陷尺寸為缺陷圓半徑4 mm,深度2~6 mm。

        根據(jù)管道對稱性,取含缺陷管體的1/4建立有限元模型。分析時(shí)平行于管道軸向的兩個(gè)剖面施加對稱約束,管道軸向的底部橫截面施加豎直方向的約束,上部端面施加軸向載荷。為了消除邊界效應(yīng),根據(jù)圣維南原理,有限元模型的長度取管道直徑的3~5倍,此模型長度設(shè)定為800 mm,結(jié)果取模型中間部位[5]。

        圖3 有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件

        根據(jù)埋地管線的實(shí)際工況,受到載荷較多,分析過程復(fù)雜,為了簡化計(jì)算且不影響分析結(jié)果,考慮內(nèi)壓和軸向載荷。模型選用三維八節(jié)點(diǎn)六面體Solid 186單元,由于缺陷處應(yīng)力和應(yīng)變梯度很大,故對缺陷處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。軸對稱有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件見圖3,不同腐蝕缺陷的局部網(wǎng)格見圖4。

        (a)環(huán)形缺陷 (b)局部缺陷 (c)點(diǎn)狀缺陷

        圖4 不同腐蝕缺陷的局部網(wǎng)格

        1.3 外壁帶缺陷儲氣井井管應(yīng)力分析

        通過儲氣井井管材料性能試驗(yàn),確定儲氣井井管材料為非線性材料。圖5示出有限元計(jì)算中使用的井管材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

        (a)材料N80Q的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        (b)材料P110的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        圖5 井管材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        以第三強(qiáng)度理論作為判定標(biāo)準(zhǔn),對于存在不同深度的環(huán)形缺陷、局部缺陷、點(diǎn)狀缺陷(缺陷深度為1~6 mm)的儲氣井井管進(jìn)行應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算,疲勞壽命根據(jù)JB 4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》疲勞曲線進(jìn)行計(jì)算,得出如下結(jié)論。

        (1)各種缺陷下,隨著缺陷深度的不斷增加,儲氣井井管的爆破壓力逐漸下降,其中,缺陷深度為6 mm時(shí),含有環(huán)形缺陷的儲氣井井管爆破壓力下降了25%;含有局部缺陷的儲氣井井管爆破壓力下降了35%;而含有點(diǎn)狀缺陷的儲氣井井管爆破壓力下降較小,下降了9%。

        (2)在缺陷深度為6 mm以下時(shí),含各種缺陷的儲氣井井管的疲勞性能無明顯下降。

        1.4 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后儲氣井井管的應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算及疲勞性能校核

        針對外壁帶缺陷的儲氣井井管,采用碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù),將浸有樹脂的碳纖維人工纏繞在管體缺陷周圍,樹脂固化后形成碳纖維復(fù)合材料,涉及使用的修復(fù)材料包括專用樹脂、專用填平膩?zhàn)雍吞祭w維布[6-7]。填充材料硬化后,布氏硬度可達(dá)到90左右,簡化假設(shè)為剛性材料,外部碳纖維層為各向異性材料。

        三維模型選用三維八節(jié)點(diǎn)六面體Solid 186單元,平面模型選擇八節(jié)點(diǎn)等參元Plane 183。三維模型的有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件見圖6。

        圖6 三維模型有限元網(wǎng)格、載荷及位移邊界條件

        通過對碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的儲氣井井管進(jìn)行應(yīng)力分析、爆破壓力計(jì)算,疲勞壽命根據(jù)JB 4732—95疲勞曲線進(jìn)行計(jì)算,得出如下結(jié)論。

        (1)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的儲氣井井管爆破壓力得到顯著提高,缺陷深度6 mm的儲氣井井管補(bǔ)強(qiáng)后的爆破壓力見表2。

        (2)含各種缺陷的儲氣井井管的疲勞性能均能滿足使用要求。

        表2 儲氣井井管補(bǔ)強(qiáng)后的爆破壓力

        2 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)帶缺陷儲氣井井管的補(bǔ)強(qiáng)方法及實(shí)施

        2.1 儲氣井井管試件缺陷型式及尺寸

        經(jīng)過有限元計(jì)算與應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)儲氣井井管缺陷會增大井管內(nèi)應(yīng)力,降低儲氣井井管的爆破壓力,但在工作壓力下,缺陷對儲氣井的疲勞性能無影響。所以在設(shè)計(jì)儲氣井缺陷時(shí),設(shè)計(jì)加工了均勻減薄缺陷和局部減薄缺陷,沒有模擬深孔腐蝕缺陷??紤]到腐蝕等原因造成的表面凹凸僅影響試件的疲勞性能,爆破性能主要由腐蝕深度影響,所以采用機(jī)加工方式制作缺陷不會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響。圖7示出機(jī)加工完成的儲氣井缺陷。

        (a)環(huán)狀均勻減薄缺陷

        (b)局部減薄缺陷

        2.2 補(bǔ)強(qiáng)方法

        針對外壁帶缺陷的儲氣井井管,采用碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù),將浸有樹脂的碳纖維人工纏繞在管體缺陷周圍,樹脂固化后形成碳纖維復(fù)合材料,涉及使用的修復(fù)材料包括專用樹脂、專用填平膩?zhàn)雍吞祭w維布[8-10]。其具有如下特點(diǎn)。

        (1)在“三不”即不卸料、不泄壓、不動火情況下實(shí)施碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù),可以避免由于焊接施工所帶來的焊穿、氫脆、冷脆等風(fēng)險(xiǎn),保障儲氣井運(yùn)行的連續(xù)性,有效消除儲氣井帶病運(yùn)行的安全隱患,同時(shí)也避免了天然氣意外著火爆炸帶來的重大經(jīng)濟(jì)損失[11]。

        (2)碳纖維彈性模量高,與鋼的彈性模量較接近,有利于復(fù)合材料盡可能多地承載管道壓力,降低含缺陷處管道的應(yīng)力水平,補(bǔ)強(qiáng)層與管道具有非常好的變形協(xié)同性。碳纖維的抗拉強(qiáng)度和延伸率高,用于管道修復(fù)具有極高的安全性[12]。

        (3)碳纖維復(fù)合材料和修補(bǔ)劑均具有較高的層間剪切強(qiáng)度,并且耐腐蝕性能、耐溫性能、抗老化性能優(yōu)異。

        (4)碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異,其強(qiáng)度隨著服役時(shí)間的增加基本保持不變。

        (5)施工簡便快捷,快速搶修,約2~3 h即可完成施工[13]。

        2.3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算

        補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖8,9所示。

        圖8 帶局部缺陷的儲氣井井管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

        圖9 帶環(huán)狀缺陷的儲氣井井管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

        碳纖維復(fù)合材料的濕纏繞法補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算參照ASME PCC-2—2011《Repair of Pressure Equipment and Piping》進(jìn)行[14]。

        根據(jù)下式可計(jì)算出增強(qiáng)層的厚度:

        (1)

        式中εC——碳纖維復(fù)合材料環(huán)向許用應(yīng)變;

        P——設(shè)計(jì)壓力,MPa;

        D——井管外徑,mm;

        EC——碳纖維復(fù)合材料環(huán)向彈性模量,GPa;

        trepair——最小修復(fù)層的厚度,mm;

        s——井管材料許用應(yīng)力,MPa;

        ts——缺陷處的井管最小剩余壁厚,mm;

        Plive——修復(fù)時(shí)的最大循環(huán)內(nèi)壓,MPa;

        Es——井管材料彈性模量,GPa。

        通過迭代法,可以計(jì)算出最小修復(fù)層的厚度trepair,進(jìn)而計(jì)算出需要修復(fù)的層數(shù)n。

        n=trepair/tlayer

        (2)

        式中n——最小修復(fù)層的層數(shù);

        tlayer——碳纖維復(fù)合材料單層厚度,mm。

        根據(jù)下式可計(jì)算出修復(fù)的最小增強(qiáng)寬度:

        (3)

        式中L——最小增強(qiáng)寬度,mm;

        t——井管名義壁厚,mm;

        d——缺陷處的等效井管同心圓直徑,mm。

        表3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)

        3 儲氣井試件爆破及疲勞試驗(yàn)

        3.1 儲氣井試件疲勞試驗(yàn)

        疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)見圖10,試驗(yàn)自動控制系統(tǒng)見圖11。圖12,13分別為試驗(yàn)中的帶缺陷和補(bǔ)強(qiáng)后儲氣井試件。

        圖10 壓力循環(huán)系統(tǒng)

        通過對P110和N80Q兩種材料、局部減薄和環(huán)狀減薄兩種缺陷、補(bǔ)強(qiáng)前和補(bǔ)強(qiáng)后兩種情況共6個(gè)試件進(jìn)行了12 000次壓力循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)過程中無泄漏,試驗(yàn)后儲氣井試件無變形,說明在儲氣井試件涉及的減薄范圍內(nèi),試件補(bǔ)強(qiáng)前和補(bǔ)強(qiáng)后的疲勞性能均滿足要求。

        圖11 試驗(yàn)自動控制系統(tǒng)

        圖12 疲勞試驗(yàn)中的帶缺陷儲氣井試件

        圖13 疲勞試驗(yàn)中的補(bǔ)強(qiáng)后儲氣井試件

        3.2 儲氣井試件爆破試驗(yàn)

        圖14 隔爆倉內(nèi)的2#儲氣井試件爆破瞬間截圖

        表4 儲氣井試件的爆破壓力

        分別對P110和N80Q兩種材料、局部減薄和環(huán)狀減薄兩種缺陷、補(bǔ)強(qiáng)前和補(bǔ)強(qiáng)后兩種情況共6個(gè)試件進(jìn)行了液壓爆破試驗(yàn),圖14為儲氣井試件在隔爆倉中爆破瞬間視頻截圖。

        表4列出儲氣井試件的爆破壓力,圖15示出6個(gè)試件的爆破壓力-時(shí)間曲線圖。

        儲氣井試件爆破試驗(yàn)結(jié)果表明,外壁帶有缺陷的儲氣井試件爆破壓力有很大下降,說明缺陷的存在會嚴(yán)重影響儲氣井井管的極限承載能力,必須采取一定的措施才能繼續(xù)使用帶有缺陷的儲氣井井管。

        外壁帶缺陷儲氣井試件經(jīng)碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法補(bǔ)強(qiáng)后,爆破壓力完全可以達(dá)到無缺陷儲氣井試件的爆破壓力。

        (a)1#試件 (b)2#試件 (c)3#試件

        (d)4#試件 (e)5#試件 (f)6#試件

        圖15 儲氣井試件的爆破壓力-時(shí)間曲線

        4 結(jié)論

        (1)通過應(yīng)力計(jì)算,儲氣井裝置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在井管的中間部位,最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,即在正常操作情況下,儲氣井材料的安全儲備量足夠。

        (2)帶外壁缺陷儲氣井試件和經(jīng)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的儲氣井試件均通過了12 000次疲勞試驗(yàn),說明在一定的壁厚減薄范圍內(nèi),儲氣井的疲勞性能沒有受到影響。

        (3)外壁帶有缺陷的儲氣井試件爆破壓力有很大下降,說明缺陷的存在會嚴(yán)重影響儲氣井裝置的極限承載能力,必須采取一定的措施才能繼續(xù)使用帶缺陷的儲氣井裝置。

        (4)外壁帶缺陷儲氣井試件經(jīng)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后,爆破壓力得到明顯提高,完全可以達(dá)到無缺陷儲氣井裝置的爆破壓力。

        (5)碳纖維復(fù)合材料濕纏繞法補(bǔ)強(qiáng)可以有效地修復(fù)外壁帶缺陷儲氣井井管,但是修復(fù)后的井管承載性能與補(bǔ)強(qiáng)工藝及檢驗(yàn)手段有很大關(guān)系,所以帶缺陷儲氣井井管的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)必須遵循嚴(yán)格的補(bǔ)強(qiáng)工藝和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

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