劉 洋

（中船重工（沈陽）遼海輸油設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽 110117）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)以及石油天然氣工業(yè)的長足發(fā)展，輸油氣管道的里程數(shù)也在不斷增加。從20世紀(jì)50年代的克-獨原油管道，70年代的“八三”會戰(zhàn)，到本世紀(jì)初的西氣東輸管道以及中俄原油管道，中國已成為全球第三大管道大國。截止2021年年底，中國長輸油氣管道總里程達(dá)到14.8×104km，其中天然氣管道里程8.76×104km，原油管道里程3.13×104km，成品油管道里程2.91×104km[1]。隨著管道的不斷架設(shè)以及在役時間的增長，管道的腐蝕老化已成為無法避免的問題，嚴(yán)重制約著我國輸油氣管道的安全運行。以西氣東輸管道為例，自2004年起至今已在役服務(wù)超過17年。通常情況下，管道的服務(wù)年限為33年，根據(jù)管道故障率浴盆曲線（Bathtub curve），當(dāng)管道服役超過20年將進(jìn)入事故高發(fā)階段，也就是說在未來一段時間內(nèi)我國將有大量輸油氣長輸管線出現(xiàn)不同程度的缺陷[2]。對現(xiàn)有的出現(xiàn)缺陷的管線進(jìn)行及時補強修復(fù)是當(dāng)下最好的解決辦法。。

1 B型套筒等強度設(shè)計分析

現(xiàn)階段我國輸油氣管道有相當(dāng)一部分已由20世紀(jì)架設(shè)的中等強度鋼材管線升級到現(xiàn)有的高鋼級管道，管網(wǎng)的運維安全性隨之大幅度提升?？呻S之而來的是高鋼級管道嚴(yán)苛的技術(shù)條件提高了管道的修復(fù)質(zhì)量要求。目前我國常用的一種高強度鋼管牌號為X80，國際上的X80性能要求主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)，分別是API SPEC 5L-2018《管線鋼管規(guī)范》和ISO 3183-2012《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管》，二者對X80鋼的性能要求基本一致，屈服強度 為555MPa～705MPa，抗拉強度為625MPa～825MPa，屈強比不高于0.93，焊縫和熱影響區(qū)的最小平均沖擊韌性為27J（0℃、管徑小于1422mm）或40 J（0℃、管徑大于或等于1422mm），落錘撕裂試驗剪切面積百分?jǐn)?shù)不低于85%（0℃）[3]。

目前對焊接修復(fù)的適用性和可靠性正處于研究階段，永久性焊接補強方式作為一種可靠、簡便的施工方法在管道修復(fù)中大量使用[4]。其中以區(qū)別于不進(jìn)行環(huán)焊縫焊接的A型套筒的B型套筒修復(fù)最為常見。而傳統(tǒng)修復(fù)方式往往采用非等強度焊接的方式，為了增加強度，將套筒壁厚的尺寸設(shè)計過大，導(dǎo)致焊接熔覆量大[5-6]、施工難度增加，且由于焊接深度大也易產(chǎn)生裂紋等問題，影響修復(fù)效果[7-8]。某處受到土壤沉降不均影響出現(xiàn)的凹坑缺陷及根據(jù)該文方法設(shè)計的B型套筒現(xiàn)場修復(fù)圖片如圖1、圖2所示。

根據(jù)等強度設(shè)計理論，在計算B型套筒壁厚之前需要確定相關(guān)參數(shù)，包括出現(xiàn)損傷的管道最大外徑、管道母材材質(zhì)、管道設(shè)計壓力、管線運行溫度和管道地區(qū)等級等。B型套筒的護(hù)板壁厚是其中最重要的一項參數(shù)，根本依據(jù)參數(shù)為管道的運行壓力以及套筒材質(zhì)的屈服強度δs。設(shè)計壁厚應(yīng)滿足安全性要求，在焊接位置出現(xiàn)缺陷時不應(yīng)使B型套筒整體出現(xiàn)屈服情況，理想狀態(tài)如公式（1）所示。

式中：F為B型套筒設(shè)計安全系數(shù)，與管道設(shè)計安全系數(shù)取值相同；δs2為B型套筒屈服強度（取下限數(shù)值555MPa），MPa；A1、A2分別為套筒上對應(yīng)環(huán)焊縫位置的凹槽深度、成型加工厚度補償，mm，3.5 mm≤A1+A2≤6mm。

另根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》直管段壁厚計算公式對B型套筒壁厚進(jìn)行設(shè)計計算，如公式（2）所示。

式中：δ2為B型套筒計算厚度；P為管線設(shè)計壓力；D為管道最大外形直徑；σs為B型套筒材料的屈服強度；φ為焊接接頭系數(shù)，其中單面焊接且全部無損檢測取φ=0.9[9]；F為強度設(shè)計系數(shù)；t為溫度折算系數(shù)，其中在≤120℃情況下t=1.0。相應(yīng)單位同公式（1）。

根據(jù)管道型號以及現(xiàn)場測量結(jié)果總結(jié)的管道各項參數(shù)數(shù)值見表1。

表1 東北地區(qū)某處輸油管道缺陷現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

根據(jù)公式（1）、公式（2）以及表1中的數(shù)據(jù)，分別對壁厚進(jìn)行計算，并根據(jù)可靠性原則選取較大數(shù)值作為設(shè)計參考數(shù)值。根據(jù)計算可知在以上情況下，δ1≈16.29，向上圓整為δ1=17。δ2≈13.7向上取值至δ2=14。因此在實際設(shè)計中，本案B型套筒厚度應(yīng)大于等于17mm，且隨著壁厚的增加，B型套筒圓周向的角焊縫將在微小降低后增加，因此壁厚不適宜無線度增大，過度增加壁厚將會對套筒的結(jié)構(gòu)及安全性起反作用，最終該設(shè)計方案將B型套筒壁厚定為17mm。

2 應(yīng)用有限元法對設(shè)計方法進(jìn)行驗證

本案使用ANSYS19.0軟件中的Workbench對上述方法設(shè)計的B型套筒修復(fù)效果進(jìn)行有限元法仿真，利用SolidWorks 2016版本建模，模擬管道出現(xiàn)環(huán)向裂縫。所建模型模擬了當(dāng)直管段出現(xiàn)寬度2mm，長度18mm環(huán)向裂縫時，在管壁外側(cè)利用B型套筒進(jìn)行修復(fù)的情況。其中B型套筒根據(jù)上文所述方法進(jìn)行設(shè)計，承受載荷根據(jù)實際情況附以管道內(nèi)表面10MPa均布載荷，并由此分析該設(shè)計方法的可行性及可靠性，再根據(jù)對稱性原則，選取完整模型的一半進(jìn)行后續(xù)分析。

模型導(dǎo)入有限元分析軟件后，前處理各項參數(shù)設(shè)置如下：鑒于模型屬對稱性結(jié)構(gòu)，為了提高分析精度，將模型按照六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并調(diào)整到合適尺寸，如圖3所示。

進(jìn)一步地，待修復(fù)管道材質(zhì)及B型套筒材質(zhì)參數(shù)按照X80管道進(jìn)行設(shè)置，對管道內(nèi)壁施加數(shù)值為10MPa的均布載荷，對整體模型施加對稱約束并慣性釋放。根據(jù)施加載荷以及約束條件，利用靜態(tài)求解器進(jìn)行求解，在后處理器中添加位移、應(yīng)變以及形變選項求解后得到如圖4～圖6所示的結(jié)果。

根據(jù)圖4中最大值標(biāo)注點對比左側(cè)坐標(biāo)值可知最大形變達(dá)到0.9 mm；根據(jù)圖5中最大值標(biāo)注點對比左側(cè)坐標(biāo)值可知最大應(yīng)力為526.22MPa，且最大應(yīng)力處處于環(huán)向角焊縫區(qū)域，在實際施工中需要重點關(guān)注；根據(jù)圖6中最大值標(biāo)注點對比左側(cè)坐標(biāo)值可知最大應(yīng)變?yōu)?.003mm。

根據(jù)API SPEC 5L-2018《管線鋼管規(guī)范》和ISO 3183-2012《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管》對X80鋼屈服強度要求為555MPa～705MPa，仿真中所布置的B型套筒最大應(yīng)力值小于555MPa，且最大形變量小于1mm。根據(jù)有限元分析法結(jié)果可以判定該文設(shè)計的B型套筒壁厚符合理論使用要求，可進(jìn)行下一步的生產(chǎn)、試驗及修復(fù)施工。

3 現(xiàn)場施工應(yīng)用驗證

根據(jù)上述設(shè)計方法以及有限元仿真結(jié)果等前期理論設(shè)計及驗證，制造了為本案定制的B型套筒，并對修復(fù)管段進(jìn)行了帶壓監(jiān)測記錄。待修復(fù)管段主要由自然沉降造成凹坑缺陷，同時根據(jù)超聲檢測顯示彎折處有細(xì)微裂紋。焊接施工在裂紋外300mm進(jìn)行，焊接預(yù)熱溫度根據(jù)GB/T 36701—2018預(yù)熱達(dá)130℃后開始焊接，焊接方式采用回火焊加填充焊方式?；鼗鸷缚商岣呷涡?，防止焊口開裂，采用強度較低的E5015-G（CHE507GX）焊材，填充焊采用強度較高的E5515-G（CHE557GX）焊材。長期的工程實踐統(tǒng)計結(jié)果顯示此方法可有效減少角焊縫與母材焊趾部位的開裂傾向。焊后對管線進(jìn)行焊后熱處理，200℃～300℃保溫5h～8h后自然冷卻。

B型套筒焊接到修復(fù)管線后對管線進(jìn)行測量，顯示B型套筒圓周向形變量在0.5mm～0.85mm，然后逐步恢復(fù)正常運行壓力10MPa。帶壓運行15天后對管線進(jìn)行外部尺寸測量及無損檢測，結(jié)果顯示B型套筒結(jié)構(gòu)完好，角焊縫及縱焊縫未發(fā)生形變。

根據(jù)以往工作記錄，在此類情況下，往往會根據(jù)經(jīng)驗將套筒厚度保守設(shè)計為30mm～35mm。此厚度雖然滿足使用條件，但過厚的套筒壁厚不僅增加了制造成本，也會增大卷板難度，還會在現(xiàn)場焊接時使焊接量成倍增加且熱影響區(qū)過大，如此易出現(xiàn)焊接缺陷等問題。由此可知，在合理范圍內(nèi)選擇B型套筒厚度將能減少成本，降低加工、施工作業(yè)難度。

4 結(jié)語

該文基于等強度理論設(shè)計了B型套筒補強設(shè)計公式，并根據(jù)相關(guān)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用公式設(shè)計出B型套筒。在此基礎(chǔ)上利用有限元法對上述問題進(jìn)行強度及形變校核，并生產(chǎn)出產(chǎn)品用于施工。施工完美解決了測量管段的凹坑缺陷問題。綜上可得設(shè)計公式符合實際工況要求，對B型套筒的設(shè)計與分析有一定的參考價值。