趙明(中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司,河北 廊坊 065001)
本研究的目的旨在探討輸油氣鋼管在承受高內(nèi)壓與撓曲作用下的極限撓曲強度與韌性行為,并評估現(xiàn)行的全圓周套管焊接修補及對焊接合的方式于撓曲行為的影響。試驗方式以油壓致動器在距鋼管兩端三分之一管長處施加側(cè)向拉力,擷取試體變位及應(yīng)變的資料,進(jìn)行整理與討論。
本試驗的試體共分三組,第一組試體是外徑為219 mm(8 5/8″),厚度為 8.18 mm(0.322″)的八吋鋼管,第二組試體是外徑為 273 mm(10 3/4″),厚度為9.27 mm(0.365″)的十吋鋼管,第三組試體則是外徑為 324 mm(12 3/4″),厚度為 9.53 mm(0.375″)的十二吋鋼管,其徑厚比分別為 27、30 與34。
三組試體的鋼管長度均在6 000 mm 左右,鋼管上標(biāo)示有鋼管基本資料。八吋鋼管與十吋鋼管均采用API 5L Gr. B的材質(zhì),十二吋鋼管采用 API 5L X52的材質(zhì),所采用的鋼管尺寸與鋼管材質(zhì)皆與中油目前所定的規(guī)格相同,Gr. B適用于低壓管線,而 X52 則用于高壓管線。三組試體中的每一組皆包含1根完整、1根對焊接合與2根全圓周套管焊接修補的鋼管,每組4根,共計12根鋼管。對焊接合試體的焊接方式采用全滲透焊,焊接程序完全依照管線工程施工說明書的規(guī)定。套管長度應(yīng)至少102 mm(4″)以上,其材質(zhì)強度不應(yīng)低于鋼管強度[1]。
試驗于鋼管內(nèi)注水,管壁厚度為0.322英吋,其試驗壓力值為1 570 psi(10.78 MPa),水壓試驗壓力值的決定為依據(jù)管線的設(shè)計壓力。設(shè)計壓力的公式為:
式中:P為設(shè)計壓力(psi);S為鋼管標(biāo)稱降伏強度(psi);D為鋼管外徑(in);t為管壁厚度(in);于考慮地區(qū)分類2級時,基本設(shè)計因子F=0.6,鋼管材質(zhì)為API 5L時,縱向接合因子E=1.0,考慮為室溫下時,溫度降級因子T=1.0,故表達(dá)公式為:
即管線內(nèi)壓力所造成的環(huán)向應(yīng)力等于60%的鋼管標(biāo)稱降伏強度。故八吋鋼管、十吋鋼管及十二吋鋼管所加的水壓依次為 10.78 MPa(1 570psi)、9.8 MPa(1 430 psi)及12.64 MPa(1 835 psi)。
試驗機使用極限載重為50 t、最大拉伸行程為±200 mm的MTS油壓致動器,采用位移控制的方式施加側(cè)向拉力,位移速率設(shè)定在每分鐘5 mm。為達(dá)到鋼管在純彎下?lián)锨臓顩r,本試驗在距鋼管兩端三分之一管長處施加側(cè)向拉力,使得鋼管中段受到純彎矩的作用。力量的施加為MTS試驗機施加側(cè)向力于一H型鋼梁,此鋼梁再藉由兩端的螺桿施加等值側(cè)向力于鋼管上。為了防止施力點產(chǎn)生鋼管局部挫屈的現(xiàn)象,在鋼管上包覆橡膠墊。鋼管試體置放于兩端的基座上,鋼管兩端的端板與基座接觸點可自由滑動,以確保兩端為輥支承。
鋼管上的加壓孔連接手控水壓幫浦,水注滿鋼管后,將水壓計安裝至注水孔上,作為讀取再行加壓時管內(nèi)水壓大小之用。為進(jìn)一步了解鋼管撓曲的行為,于距鋼管兩端三分之一管長處及靠近中點的位置架設(shè)位移計以量測鋼管撓曲之后的變形量,并于鋼管的張力側(cè)、壓力側(cè)及頂端沿軸向黏貼應(yīng)變計,分別為應(yīng)變計SGT、SGC及SGN,以記錄試體的軸向應(yīng)變,此外,在頂端還加貼沿環(huán)向的應(yīng)變計SGH,以記錄鋼管的環(huán)向應(yīng)變狀態(tài)[2]。
(1)將MTS油壓致動器水平安裝至反力墻上。
(2)將H型鋼梁與油壓致動器以螺栓鎖緊固定。
(3)組裝輥支承鋼板與鋼管試體。
(4)將試體放置定位于兩基座上。
(5)安裝、架設(shè)位移量測儀器及資料擷取系統(tǒng)。
(6)將手控水壓幫浦接上加壓孔,開始注水于鋼管內(nèi)。
(7)水滿后,安裝水壓計于注水孔上并開始加壓。
(8)水壓達(dá)到預(yù)定值后,啟動油壓制動器,對試體進(jìn)行預(yù)拉試驗,以檢驗試驗裝置與量測儀器是否無誤。
(9)檢驗無誤后,以位移控制來施加側(cè)向力,并由資料擷取系統(tǒng)同步讀取試驗數(shù)據(jù)。
(10)觀察并記錄試驗進(jìn)行時的鋼管撓曲行為。
(11)當(dāng)鋼管撓曲變位接近400 mm時,停止試驗進(jìn)行。
本試驗對鋼管所能提供在施力點的側(cè)向變位最大可達(dá)400 mm,顧及儀器使用安全的因素,試驗于施力點變位接近400 mm即停止。
試驗開始后一段時間內(nèi),由監(jiān)控的側(cè)向力-變位曲線得知試體處于彈性階段,當(dāng)側(cè)向力再逐漸增大后側(cè)向力-變位曲線顯現(xiàn)出其斜率逐漸變小,判斷鋼管已有局部降伏,達(dá)降伏撓曲強度后,側(cè)向力-變位曲線呈現(xiàn)約略等值的上升線,直至試驗停止。
停止試驗后,觀察試體發(fā)現(xiàn):在將近400 mm的變位下,鋼管試體因徑厚比小,皆無明顯的破壞狀況發(fā)生,而有施加初始水壓的鋼管試體觀察水壓計上的讀數(shù)顯示試驗停止后鋼管試體內(nèi)的水壓較初始水壓為小,應(yīng)為鋼管變形后的體積較原體積為大所導(dǎo)致。由MTS控制系統(tǒng)所顯示的載重-變位曲線得知,除試體P12SO外,其余試體均無強度下降的現(xiàn)象,此試體強度的下降乃因螺桿施力點鋼管產(chǎn)生局部挫屈現(xiàn)象而造成。為討論各試體的側(cè)向力-變位關(guān)系,將相對應(yīng)兩位移量測儀器所量取的鋼管側(cè)向變位取平均值,以資比較各試體的撓曲強度與行為[3]。
試體P08系列的側(cè)向力-變位關(guān)系及側(cè)向力-應(yīng)變關(guān)系,此組鋼管在試驗停止后的最大側(cè)向力在60~70 kN之間,最大張應(yīng)變在 0.009~0.016之間,顯示鋼管局部已達(dá)應(yīng)變硬化階段,環(huán)向應(yīng)變顯示環(huán)向應(yīng)力值變化不大;試體P08SP因試驗儀器發(fā)生問題的緣故,僅位移至250 mm便停止,而有施加初始水壓的鋼管試體在試驗停止后的水壓值在4.90~8.82 MPa之間。
試體P10系列的側(cè)向力-變位關(guān)系及側(cè)向力-應(yīng)變關(guān)系,此組試體在試驗停止后的最大側(cè)向力在118~128 kN之間,最大張應(yīng)變在0.015~0.023之間,顯示鋼管局部已甚為降伏,而有施加初始水壓的鋼管試體在試驗停止后的水壓值在5.88~6.37 MPa之間。
試體P12系列的側(cè)向力-變位關(guān)系及側(cè)向力-應(yīng)變關(guān)系,此組試體在試驗停止后的最大側(cè)向力在190~200 kN之間,最大張應(yīng)變在0.021~0.025之間,而有施加初始水壓之鋼管試體在試驗停止后的水壓值在7.35~7.55 MPa之間。
鋼管試體在側(cè)向力作用下,取試體P08SO為例,以等階段的側(cè)向力顯示其側(cè)向變位情形如圖1所示,在一開始的加載至52.5 kN之中,試體均呈現(xiàn)小幅的側(cè)向變位,但側(cè)向力在52.5~70 kN之間,側(cè)向變位大幅的增加,顯現(xiàn)鋼管試體已局部進(jìn)入塑性行為,其勁度大幅滑落[4]。
結(jié)果顯示以側(cè)向力-變位曲線求得試體的彈性勁度與塑性勁度,各組試體的彈性勁度約略相等,八吋、十吋與十二吋鋼管各組試體彈性勁度平均值的比值為1∶2.39∶3.63,其彈性勁度接近各組試體慣性矩的比值為 1∶2.2∶3.85。各組試體的塑性勁度與彈性勁度的比值范圍為3%至5%間。
根據(jù)各試體的側(cè)向力-變位曲線,以脫離線性范圍的第一點為降伏點,此時的側(cè)向力為Py,側(cè)向變位為yA˙˙,將Py乘上輥支承中心至側(cè)向力作用點的距離X ,即可求得降伏撓曲強度My,test,如下所示:
所求得的各試體降伏撓曲強度My,test、塑性撓曲強度M8yA˙˙。
由結(jié)果可知,在降伏撓曲強度方面,以各組試體的SO試體最高,而SP試體次之;而各組試體在8yA˙˙下,除試體P10SO外,其余各組試體的SO試體均擁有最高的彎矩容量,而SP試體次之,顯示無內(nèi)壓力的試體擁有較高的降伏撓曲強度及極限撓曲強度。
考慮相同內(nèi)壓力情況下,比較P-XX、P-XX-SP及P-XX-BW試體,由圖1、圖2可知在撓曲強度方面,八吋鋼管的強度大小是P08SP>P08BW>P08;十吋鋼管,強度大小順序不變,但P10BW與P10的極限撓曲強度極為接近;十二吋鋼管,強度大小依序為P12SP>P12>P12BW,P12與P12BW 的強度亦差異不多。上述結(jié)果顯示套管焊接修補的鋼管的撓曲強度大于完整及對焊的鋼管,可見經(jīng)過套管焊接修補后,亦有助于鋼管極限撓曲強度的提升。且對焊鋼管的極限撓曲強度與直管的強度極為接近。據(jù)研究,鋼管對焊接合后所引起的環(huán)向收縮將會導(dǎo)致鋼管產(chǎn)生一環(huán)向的殘留壓應(yīng)力,而此一殘留壓應(yīng)力將會延緩鋼管試體降伏的產(chǎn)生,并提高鋼管的撓曲強度,但此殘留壓應(yīng)力的值卻會隨著鋼管尺寸的增大而減小,因此本試驗的鋼管試體 P08BW 由于該環(huán)向殘留壓應(yīng)力的影響,導(dǎo)致該試體的撓曲強度大于試體P08,而隨著鋼管尺寸的漸增,環(huán)向殘留壓應(yīng)力的影響逐漸變小,故試體P10BW的撓曲強度雖仍大于試體P10,但已甚為接近,直至試體P12BW,該殘留應(yīng)力的影響更為微小,使得該試體撓曲強度低于試體P12。
圖1 試體 P08SO 側(cè)向變位圖
圖2 試體P08、P08SP及P08BW側(cè)向力-變位關(guān)系比較圖
于考慮管內(nèi)壓力有無的影響,比較SP系列及SO系列的試體,由結(jié)果可知,除試體P10SO外,無內(nèi)壓的鋼管試體其強度均大于施加內(nèi)壓的鋼管試體,故內(nèi)壓力會降低鋼管的極限撓曲強度。
(1)相較于小地層變位易受損的管線接頭,API 對焊接合提供管線穩(wěn)定的撓曲強度與優(yōu)良的韌性行為。
(2) API 5L 鋼管在受到撓曲作用之后,其側(cè)向變位一開始維持彈性,隨著撓曲彎矩的增加,鋼管在進(jìn)入塑性行為之后,勁度大幅滑落,側(cè)向變位急遽上升,其塑性勁度與彈性勁度的比值范圍在3%~5%之間。
(3)地下管線由于長期埋在地底下,可能會因銹蝕或其他外在因素而破損泄漏,除了一般的更換修補方式外,若考慮該地下管線必須維持原有的撓曲強度甚或提高,可采用全圓周套管焊接修補的方式,此一方式能夠有效維持鋼管的撓曲強度與變形能力。
(4)管內(nèi)壓力的存在,對鋼管撓曲強度將造成負(fù)面的影響,所以對于高壓地下管線應(yīng)定期監(jiān)控與檢測,以確保管線正常運作。