張 良，惠文穎，徐 琳，方衛(wèi)林，李玉坤

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077；2.國(guó)家管網(wǎng)西部管道公司 新疆 烏魯木齊 830013；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司 陜西 西安 710299；4.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東 青島 266580)

0 引 言

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局的《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，2025年全國(guó)油氣管道總里程將達(dá)到24×104km。油氣管道若發(fā)生泄漏、失效事故，將嚴(yán)重威脅公共安全，因此保障油氣管道安全具有重要意義。在中國(guó)西北和東北地區(qū)敷設(shè)管線時(shí)，管道沿線不可避免地會(huì)經(jīng)過(guò)凍土區(qū)域，由于凍土區(qū)地基土的凍脹融沉特點(diǎn)，給沿線鋪設(shè)的管道帶來(lái)了不良的影響，嚴(yán)重則會(huì)造成管道破壞和失效[1-4]。

管道受凍土區(qū)凍脹融沉影響，會(huì)使管道受力狀態(tài)發(fā)生變化，若管道所受載荷超過(guò)管材屈服強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生屈曲變形。發(fā)生變形的管道是否達(dá)到其安全極限，管道能否繼續(xù)使用，或是需要釋放應(yīng)力以及更換管段,這是一個(gè)直接涉及安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題。

本文通過(guò)一種基于超聲法的管道在線軸向應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)[5]，對(duì)含褶皺缺陷管道的受力狀況進(jìn)行了測(cè)量和分析，結(jié)合管道變形情況，提出了管道修復(fù)處置的建議，供類(lèi)似情況參考。

1 基本情況

某輸氣管道設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，管徑DN 1 016 mm，設(shè)計(jì)壁厚7.1 mm，管材鋼級(jí)X60。運(yùn)營(yíng)單位在管道運(yùn)行多年后內(nèi)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管道某處6點(diǎn)鐘位置存在褶皺缺陷，隨后進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證。存在褶皺缺陷的管道敷設(shè)于海拔3 600 m的高原凍土層中，此區(qū)域凍土層較厚，開(kāi)挖時(shí)地面150 cm下仍為凍土，管道周?chē)貏?shì)相對(duì)較為平坦，但存在一定地勢(shì)高差。在此區(qū)域敷設(shè)的輸氣管道易受季節(jié)變化的影響發(fā)生融沉凍脹，導(dǎo)致管道的力學(xué)穩(wěn)定性發(fā)生變化。

開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)，褶皺缺陷位于管道本體6點(diǎn)鐘位置處，缺陷軸向長(zhǎng)度為120 mm，環(huán)向?qū)挾葹?32 mm，管道本體壁厚在7.1～7.2 mm之間，褶皺缺陷形貌如圖1所示。褶皺缺陷上游約22 m的管道已發(fā)生明顯彎曲變形，經(jīng)觀察和測(cè)量，變形情況主要為管道向下彎曲和左右偏移，最大向下變形與最大左右變形位置為同一處，測(cè)量示意如圖2所示。

圖1 管體褶皺缺陷形貌

圖2 變形位置測(cè)量示意圖

由上述情況可以看出，管道受外力導(dǎo)致變形的情況較為嚴(yán)重，需對(duì)管道受力情況進(jìn)行檢測(cè)分析，并提出下一步管道修復(fù)處置建議。

2 超聲法應(yīng)力檢測(cè)

超聲波應(yīng)力測(cè)試技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已越來(lái)越被證明在油氣管道應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)有良好的表現(xiàn)，利用超聲波測(cè)量變形管段在線應(yīng)力的理論基礎(chǔ)是聲彈性理論，即超聲波波速與材料應(yīng)力間的線性關(guān)系，從而獲得管道表面軸向應(yīng)力水平，能夠輔助管理者判斷管道軸向當(dāng)前承受的應(yīng)力狀態(tài)[6-10]。

采用基于聲彈性原理的管道軸向應(yīng)力測(cè)試設(shè)備，對(duì)管道褶皺缺陷和變形處開(kāi)展了超聲波軸向應(yīng)力測(cè)量工作。應(yīng)力測(cè)量設(shè)備主體包括低功耗處理器、超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、時(shí)間測(cè)量電路模塊、液晶顯示及交互模塊、電源管理模塊和溫度測(cè)量模塊，如圖3所示。該裝置超聲波傳播時(shí)間測(cè)量精度為1 ns，管道在線應(yīng)力測(cè)量誤差小于20 MPa。

圖3 裝置模塊構(gòu)成圖

共計(jì)測(cè)量了9處截面，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。每個(gè)截面上測(cè)量管頂(0點(diǎn))和兩側(cè)(3點(diǎn)、9點(diǎn))的應(yīng)力，其中③④⑥⑦⑧⑨同時(shí)對(duì)管底(6點(diǎn))的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)管道的應(yīng)力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況判斷該管段的受力狀態(tài)。需要說(shuō)明的是，由于褶皺缺陷處管道表面已發(fā)生變形，探頭無(wú)法貼合表面，因此在褶皺缺陷上下游附近管體各測(cè)量一處，測(cè)量結(jié)果為褶皺缺陷處應(yīng)力狀況參考。

圖4 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

測(cè)點(diǎn)所在位置需剝開(kāi)防腐層，剝離區(qū)域應(yīng)至少滿足以下需求：剝離區(qū)域與環(huán)焊縫距離不小于5 cm；沿軸向剝離長(zhǎng)度不小于30 cm；沿環(huán)向剝離寬度不小于15 cm。

測(cè)點(diǎn)時(shí)先使用磨光機(jī)進(jìn)行初步打磨，然后對(duì)初步打磨好的測(cè)點(diǎn)使用打磨機(jī)沿管道軸線方向進(jìn)行打磨，打磨時(shí)首先使用80目的砂紙進(jìn)行粗打磨，直至磨去管道表面腐蝕坑，再用240目以上的細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，直至管道測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)平面，且平面面積不少于30 mm×100 mm。打磨后測(cè)量區(qū)域的表面粗糙度不大于5 μm。將零應(yīng)力試件與待測(cè)點(diǎn)管壁接觸，使用溫度傳感器測(cè)量管壁與零應(yīng)力試件的溫度，確保溫差小于0.1 ℃后再開(kāi)始應(yīng)力測(cè)量。根據(jù)所測(cè)溫度選用對(duì)應(yīng)黏度的耦合劑。將超聲探頭與零應(yīng)力試件通過(guò)耦合劑耦合，保持超聲波傳播方向與試件長(zhǎng)度方向一致。當(dāng)耦合狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)測(cè)量并記錄零應(yīng)力試件的聲時(shí)和溫度。為確保耦合狀態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)確保連續(xù)3次測(cè)量聲時(shí)變化不超過(guò)1 ns，溫度變化不超過(guò)0.1 ℃。

將超聲探頭與管道測(cè)點(diǎn)表面通過(guò)耦合劑耦合，保持超聲波傳播方向與管道軸向一致。當(dāng)耦合狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量并記錄零應(yīng)力試件的聲時(shí)和溫度。為確保耦合狀態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)確保連續(xù)3次測(cè)量聲時(shí)變化不超過(guò)1 ns，溫度變化不超過(guò)0.1 ℃，應(yīng)力測(cè)量結(jié)果變化不超過(guò)10 MPa。若應(yīng)力測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，應(yīng)重新打磨管道表面并重復(fù)測(cè)量管壁應(yīng)力。

3 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果分析

軸向應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如圖5所示，可以看出，測(cè)得結(jié)果為壓應(yīng)力，表明管道軸向載荷以受壓為主。應(yīng)力變化規(guī)律與管道變形情況基本一致，最大應(yīng)力位于褶皺缺陷附近6點(diǎn)方向，應(yīng)力值最大為440 MPa。X60管材屈服強(qiáng)度最小要求值為415 MPa，該應(yīng)力值已經(jīng)超過(guò)管材最小屈服強(qiáng)度。另外，管道正上方0點(diǎn)位置的應(yīng)力值普遍較小，0點(diǎn)和6點(diǎn)的應(yīng)力值差異是造成褶皺缺陷形成的重要原因。

注：+為拉應(yīng)力;-為壓應(yīng)力

由應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)管道變形測(cè)量結(jié)果分析可知，管道軸向應(yīng)力以受壓為主，可以推斷管道所受的載荷主要包括兩部分，如圖6所示：一是受到軸向壓應(yīng)力產(chǎn)生的載荷，該載荷由于溫度變化或臨近地勢(shì)較高處管道發(fā)生縱向緩慢滑坡導(dǎo)致，是管道產(chǎn)生褶皺缺陷的主要原因；二是為彎曲載荷，該載荷由于測(cè)點(diǎn)⑤和⑥附近凍土融沉導(dǎo)致，管道彎曲的同時(shí)釋放了部分軸向壓應(yīng)力，截面⑤和⑥的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果相對(duì)于臨近截面降低。因此，管道產(chǎn)生褶皺缺陷并發(fā)生彎曲變形，主要是受到凍土層凍脹融沉影響產(chǎn)生的外部載荷所致。

圖6 管道受力分析

考慮管道鋪設(shè)環(huán)境存在凍土融脹情況，且該凍土環(huán)境不易改變，即割口換管后管道仍然存在受外載影響的風(fēng)險(xiǎn)，因此采用科學(xué)的預(yù)防措施才是解決類(lèi)似事件發(fā)生的有效手段，可參考其他受凍土災(zāi)害影響管線的預(yù)防措施，如建立水-熱-變形檢測(cè)系統(tǒng)、增加管道壁厚、換填管基土、恢復(fù)地表植被等手段調(diào)控凍土溫度等等[10-11]。

換管后應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)情況，進(jìn)一步確定本條管線發(fā)生屈曲變形的臨界應(yīng)力值，對(duì)后期預(yù)防管道發(fā)生類(lèi)似情況有重要意義。

4 結(jié) 論

1)采用基于超聲原理的管道軸向應(yīng)力檢測(cè)方法，對(duì)管道褶皺缺陷進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)量工作，分析了管道變形及受力情況，目前褶皺缺陷仍存在大于管材最小要求屈服強(qiáng)度的軸向應(yīng)力，且缺陷上游22 m管道存在明顯彎曲變形。為確保管道安全建議，對(duì)該范圍內(nèi)管道進(jìn)行換管處理。由于褶皺缺陷主要是受到凍土層凍脹融沉影響產(chǎn)生的外部載荷所致，因此建議后期加強(qiáng)凍土災(zāi)害預(yù)防。

2)在含缺陷管道適用性評(píng)價(jià)過(guò)程中，通常采用管材最小屈服強(qiáng)度來(lái)估算管道實(shí)際受力情況，應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)則反映了管道實(shí)際的受力情況，因此應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果可為適用性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考。

3)再次遇到類(lèi)似事件時(shí)，建議可首先對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，并結(jié)合有限元分析管道實(shí)際受力情況，然后通過(guò)缺陷適用性評(píng)價(jià)，最終給出管道運(yùn)行維護(hù)建議。