李 恒 趙金強 丁彥龍 王新慧

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

天然氣作為最常見的一種潔凈優(yōu)質能源,在工業(yè)生產和民用等領域得到了廣泛的應用,其中壓力管道是天然氣輸送的主要方式。根據(jù)國家市場監(jiān)管總局最新通告,截至2020年底,我國壓力管道總長已達101.26萬km[1]。隨著管道數(shù)量的急劇增長,因地基沉降、操作參數(shù)和工藝流程改變等諸多因素影響,在運行過程中發(fā)生結構位移,致使管道變形、傾斜及破壞的現(xiàn)象頻頻發(fā)生,甚至產生局部應力集中,存在重大的安全隱患。如何有效地保障站場管道安全運行,對結構位移發(fā)生變化后管道的檢驗檢測方法的研究是十分必要的[2]。

站場壓力管道檢驗檢測國內主要參照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》進行,以常規(guī)的宏觀檢查、壁厚測定以及焊縫檢測為主,相對位移管道檢驗需求,沒有針對性,不能從根本上排除隱患。本文在近幾年來站場管道檢驗檢測方法研究的基礎上,結合工程實例,提出了一種高效有針對性的檢測方法,并制定整改措施,有效地指導使用單位排除安全隱患。

1 機理分析及技術路線

1.1 機理分析

站場架空管道受力情況主要有：1）管道自重,包含連接閥門、計量儀器、保溫層等管道附屬件；2）管道介質；3）管道運輸介質時,介質振動或沖擊對管道產生的荷載力；4）管道基礎的支撐力或管卡的約束力；5）管系之間的互相約束力等。

管道發(fā)生結構位移,導致應力集中的常見原因有：1）管系改造,原結構發(fā)生改變,原受力平衡被打破；2）運行工藝或操作參數(shù)發(fā)生變化,管道承受的壓力或介質產生的載荷力發(fā)生變化；3）管道基礎發(fā)生沉降或上升,管道的受力結構發(fā)生變化,產生應力集中,進而發(fā)生形變,尤其是焊縫部位是管道本體的薄弱點等[3]。

1.2 檢驗檢測技術路線

基于站場架空管道受力的情況及位移原因,提出如下檢驗檢測方法,如圖1所示。

圖1 檢驗檢測技術路線圖

具體內容：1）收集調研管道設計、施工及運行資料,特別是存在改造維修或工藝參數(shù)發(fā)生改變的相關資料；2）參照TSG D7005—2018對管道進行宏觀檢查,記錄現(xiàn)場可見的位移或形變尺寸,并繪制管道單線圖；3）根據(jù)現(xiàn)場調研結果,采用專業(yè)力學分析軟件對管系進行應力分析,計算確定應力集中部位；4）根據(jù)應力分析結果,采用X射線衍射應力檢測及焊縫檢測設備,對選定的部位進行檢測,根據(jù)檢測結果提出整改方案；5）根據(jù)整改方案,現(xiàn)場整改并復檢,檢驗合格后出具報告[4]。

2 應用實例

以某油田站場的1處發(fā)生位移的管系為例,進行分析討論。

2.1 資料收集

該管道投用于2006年,規(guī)格分別為φ914 mm×26.2 mm（材質 L480）、φ711 mm×20.6 mm（材質L415）、φ337 mm×15.9 mm（材質L245）,介質為天然氣,設計/運行壓力為10/6.3 MPa,運行溫度為常溫,該管線投用后工藝及操作參數(shù)未發(fā)生改變,且未有改造、修理及改線等行為。2020年5月,站內工作人員發(fā)現(xiàn)管線架設區(qū)域地基沉降,進出氣匯管及中間聯(lián)絡管線明顯上浮,局部管道已出現(xiàn)脫離支吊架的現(xiàn)象,部分現(xiàn)場宏觀照片見圖2。

圖2 管道位移現(xiàn)場宏觀照片

2.2 宏觀檢查及單線圖繪制

現(xiàn)場實地調研發(fā)現(xiàn)該管線架設區(qū)域地基下沉,管道多處發(fā)生位移現(xiàn)象,鑒于現(xiàn)場條件有限,無法進行全面的測算,根據(jù)支吊處位移的痕跡推算出實際管道的位移量,現(xiàn)場采集的管線位移情況見表1。

表1 管線位移量統(tǒng)計

根據(jù)管道分布情況,繪制單線圖,如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場工藝管道單線圖

2.3 管系應力分析

利用ANSYS有限元軟件,根據(jù)所調研資料進行建模,管道直管選取PIPE16單元,彎管選用PIPE18單元,閥門采用MASS21質量單元模擬,忽略管道焊縫以及其他附屬構件。在常溫狀態(tài)下,管道彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,所建有限元模型如圖4所示。

圖4 位移管段有限元模型

根據(jù)該段管線的實際架設情況,對其進行約束,并施加位移、內壓和自重載荷,通過軟件模擬應力分析,位移管段的應力云圖如圖5所示。從圖5中可知,管線的最大應力位置位于第5條聯(lián)絡管線與出氣管線連接處,最大值為320 MPa；在支架6位置處、第4條聯(lián)絡管線與進氣管線連接處、第5條聯(lián)絡管線與進氣管線連接處、第4條聯(lián)絡管線與出氣管線連接處、支架3位置處、第3條聯(lián)絡管線與進氣管線連接處的應力也較大,分別為 266 MPa、253 MPa、247 MPa、231 MPa、191 MPa和159 MPa,見表2。其中,第5條聯(lián)絡管線與出氣管線連接處、支架6位置處、第4條聯(lián)絡管線與進氣管線連接處、第5條聯(lián)絡管線與進氣管線連接處的應力均超過聯(lián)絡管線管材的屈服強度245 MPa,應重點關注。

圖5 位移管段的應力云圖

表2 應力分析與現(xiàn)場實測結果比對

2.4 現(xiàn)場檢測、提出整改措施

使用X射線應力檢測儀對理論分析發(fā)現(xiàn)的應力值較大位置選點進行材料內部真實應力定量測試,檢測發(fā)現(xiàn)實測應力值與應力分析的結果基本一致,前后數(shù)據(jù)比對結果見表2。同時利用射線檢測的方法對管道的所有連接焊縫進行了檢測,未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

由理論分析及現(xiàn)場實測結果可見,管線的4處應力值均超過管材的屈服強度,其中最大值超過屈服強度33.9%,另外3處也存在明顯的應力集中現(xiàn)象,繼續(xù)運行存在較大的風險。建議在站內停車的情況下,采取以下措施：加固管道架設區(qū)域及周邊的地基；調整或更換受損的管道支吊架,使管線內部應力得到釋放,重新約束管線；站場管理人員采取相關措施保證管道內部介質輸送平穩(wěn),減少振動沖擊；待整改后對管系重新進行應力分析,并再次現(xiàn)場檢測驗證。

3 結束語

管道發(fā)生位移是站場管道常見的一種失效方式,且具有較高的風險,使得其安全性越來越受到重視。常規(guī)的檢測方法不能有效地發(fā)現(xiàn)和排查根本隱患,采取有效的理論預分析,再進行現(xiàn)場檢測驗證,針對性地制定措施,可避免盲目地實施整改,在一定程度上有效地降低了工程成本。另外除了專業(yè)性檢測,站場管理人員也應從工藝方面改進,從而避免此類隱患的發(fā)生,以及在日常運行維護中加強監(jiān)測對管線的安全運行來說極為重要[5]。