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        玻璃纖維復合材料用于干線管道整體加強適用性分析

        2020-09-12 01:58:28孫傳青中石化天然氣榆濟管道分公司山東濟南250101
        化工管理 2020年24期
        關(guān)鍵詞:復材內(nèi)壓參考點

        孫傳青(中石化天然氣榆濟管道分公司,山東濟南250101)

        0 引言

        隨著我國工業(yè)的發(fā)展及對環(huán)境保護要求的提高,天然氣作為一種清潔能源,其用量逐年增加[1]。干線管道在建設(shè)初期會根據(jù)沿線居民戶數(shù)和(或)建筑物的密集程度劃分為四個地區(qū)等級,管道設(shè)計單位會根據(jù)不同的地區(qū)等級設(shè)計不同的壁厚,通過壁厚來規(guī)定不同地區(qū)等級的管道安全裕量。隨著城市建設(shè)的不斷加快,管道周邊建筑及人員密集程度逐漸發(fā)生變化,原本屬于低風險區(qū)域的管道逐漸發(fā)展為高后果,地區(qū)等級也相應提高,但是管道仍然是建設(shè)初期的管道,其壁厚、管徑、承壓能力等參數(shù)不會發(fā)生改變,此時管道所面臨的問題主要是隨著地區(qū)等級的提高其安全裕量不足。

        干線管道一般遠離城市鋪設(shè),但隨著城市發(fā)展擴大,距離管道越來越近,因此管道地區(qū)等級也在不斷變化,一旦位于高后果區(qū)的管道發(fā)生失效,其后果不堪設(shè)想。本文以玻璃纖維復合材料作為研究對象,通過對靜水壓測試及對應力應變數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析,定量分析玻璃纖維復合材料用于整體管段加強的實際作用效果,為管道提高安全裕量、提升高后果區(qū)治理水平提供指導性建議。

        1 整體管段玻璃纖維復合材料加固試驗

        1.1 試驗思路

        通過對完整管道不同位置進行玻璃纖維復材補強(修復I處為按照強度設(shè)計系數(shù)從0.72升級到0.60并根據(jù)ASME PCC-2計算的修復層數(shù),修復II處為修復I處一半層數(shù)),然后進行一系列壓力測試,獲取不同位置處環(huán)向應變數(shù)據(jù),同時分別對未補強處,復材修復II處,復材修復I處的應變數(shù)據(jù)進行對比分析。最終完成玻璃纖維復材用于提高管道安全系數(shù)做出驗證。

        1.2 試驗過程

        靜水壓試驗裝置由金屬試驗管、水壓泵、高壓管、監(jiān)控系統(tǒng)及電阻應變計組成,試驗管由鋼管、標準橢圓封頭及進出水口組成,試件管長1m,管徑219mm,管壁厚6mm,材質(zhì)L245。如圖1所示。

        圖1 應變片布置圖

        試驗采取逐級加載法,每級加載增量為1MPa直至試驗管爆破,試驗過程中采集各測點應變數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果顯示在29MPa內(nèi)壓下,修復II處復材修復厚度只有按標準計算的一半,因此內(nèi)壓已達到修復復材應變極限,復材料兩端邊緣出現(xiàn)破壞;修復I處復材修復層數(shù)有合理的安全余量,修復處復材接近破壞階段但未發(fā)生破壞,管道進水口焊縫位置因管道發(fā)生明顯屈服膨脹而破壞。如圖2所示。

        圖2 試驗管爆破圖

        1.3 試驗結(jié)果分析

        1.3.1 基于兩處修復點及管道參考點應變對比分析

        圖3 內(nèi)壓-環(huán)向應變曲線

        試驗管件破壞分為兩個階段:第Ⅰ階段為線性階段,區(qū)間為0~24MPa。第Ⅱ階段為非線性階段,區(qū)間為26~29MPa。在第Ⅰ階段中,隨著內(nèi)壓的增加,復材修復I處、復材修復II處、管道參考點環(huán)向應變呈線性增加,環(huán)向應變變化值幾乎一致,在第Ⅰ階段管道的環(huán)向應變情況與管道是否補強無關(guān)。即此階段管道是完整管道為主要承力結(jié)構(gòu),復材修復有部分分擔。

        在第Ⅱ階段中,根據(jù)力學理論分析可以得出,管道參考點已經(jīng)進入屈服階段,并且接近極限應變值。修復II處的管道雖然也處于屈服階段,但是相較于參考點管道能夠延緩達到極限應變的內(nèi)壓值,使復材修復II處補強位置的管道能夠承擔更大的內(nèi)壓值達到極限應變。復材修復I處的管道,其環(huán)向應變相對于隨內(nèi)壓增大的程度最小,當內(nèi)壓為27MPa時,參考點和復材修復II處的管道已經(jīng)進入屈服,復材修復I處補強位置的管道剛開始進入塑性階段,對應的環(huán)向應變分別為7038.5με,4077με和1643.5με,以參考點應變值作參考,復材修復II處補強位置管道環(huán)向應變?yōu)閰⒖键c環(huán)向應變值的57.93%,復材修復I處管道環(huán)向應變?yōu)閰⒖键c環(huán)向應變值的23.35%。

        由圖3分析可知:(1)試驗管件隨著內(nèi)壓增加表現(xiàn)為管道膨脹變形,由于試驗管件局部采用了玻璃纖維復合材料進行加強處理,加強區(qū)域變形量明顯低于未加強區(qū)域,玻璃纖維復合材料可有效抑制管道地塑性變形。(2)通過修復I處和修復II處復合材料應變數(shù)據(jù)分析可知:復合材料加強的層數(shù)越多,越有利于減緩管道環(huán)向應變的增加。

        1.3.2 基于TES法判定分析

        試驗選取升級系數(shù)最大的一級地區(qū)升為二級地區(qū)進行分析,強度設(shè)計系數(shù)從0.72升級到0.60,由于復合材料與鋼管彈性模量的差異,基于材料彈性屬性的設(shè)計方法不再適用。需要采用基于應變的設(shè)計方法,即“極限設(shè)計”。極限設(shè)計可以通過實測應變結(jié)果得到,也可以在一些假設(shè)下推導出可用的解析公式。

        假設(shè)允許完好管道在內(nèi)壓下屈服,而采用TES(二倍彈性斜率法)決定它的極限荷載。

        管材屈服前,其應力應變關(guān)系為:

        式中:Es為管材彈性模量;σs和εs分別為試驗管材的應力和應變。

        將管材屈服后的應力應變曲線擬合為:

        將式(1)、(2)代入Balow公式,可知管道中,載荷—內(nèi)壓P與環(huán)向應變的關(guān)系,試驗管材環(huán)向應變?nèi)匀挥忙舠表示:

        管壁屈服前:

        管壁屈服后:

        圖4 TES示意圖

        在圖4中,式(3)對應直線段AB,式(4)對應曲線BC,直線AC的方程是:

        注意式(5)中的P不是真實壓力,只是εs-P關(guān)系中的坐標??梢娛?5)是直接由式(3)擴大為兩倍斜率得到。

        聯(lián)立式(4)和式(5),可以解得εmax和PTES,為:

        本試驗中管徑直徑為219mm,壁厚6mm,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)屈服應變對應的內(nèi)壓為24MPa,極限應變對應的內(nèi)壓為27MPa,通過公式σ環(huán)=PD/2T求得屈服應力為438MPa和抗拉強度492.75MPa,進而擬合出來公式(2)中的k=5.5168e+08和N=0.0332,所以公式(2)為:

        按式(6)得出εmax為5516με已知由于地區(qū)升級,產(chǎn)生的壓強差為2.88MPa,在應變值為2376με時,未補強管道對應的內(nèi)壓值為26MPa,復材修復II處補強位置管道對應的內(nèi)壓值為26.5MPa,復材修復I處補強位置管道對應的內(nèi)壓值為29MPa。

        由以上分析可知:

        (1)復材修復II處(按標準計算修復層數(shù)的一半)補強位置管道壓強補償差為0.5MPa,因此,雖然復材修復II處補強位置能增大管道極限應變,但不足以補償?shù)燃壣墝е碌膲簭姴睢?/p>

        (2)復材修復II處(根據(jù)ASME PCC-2計算修復層數(shù))補強位置管道壓強補償差為3MPa,大于地區(qū)等級升級產(chǎn)生的壓強2.88MPa,所以復材修復II處補強能夠補償?shù)燃壣墝е碌膲簭姴睢?/p>

        2 結(jié)語

        (1)文章采用的金屬試驗管件靜水壓+應變監(jiān)測的試驗方法可為今后類似的試驗提供參考。

        (2)通過不同玻璃纖維修復層數(shù)應變數(shù)據(jù)分析及Test法推導計算,證明了玻璃纖維復合材料可有效實現(xiàn)對整體管段的加固處理,提高安全系數(shù),但要達到預期效果需按照ASME PCC-2-2015《壓力設(shè)備和管道的維修》進行層數(shù)設(shè)計。

        (3)通過本文試驗驗證結(jié)果可為城市燃氣干線管網(wǎng)玻璃纖維復合材料用于整體管段加強提供理論支持,為解決由于地區(qū)等級升級帶來的安全裕量不足高后果區(qū)隱患治理提供實際指導意義。

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