某成品油管道岩石挤压段顶部应力响应

2020-07-01赖少川何勇君

科技和产业 2020年6期

赖少川，张平，何勇君，王垚

(1.中国石化销售有限公司华南分公司，广州 510000；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

石油天然气管道在运行过程中，由于敷设条件、地质运动等原因，会在管道底部发生岩石挤压变形，往往工程上只关心和处理管道底部的挤压位置，忽略挤压管段顶部的受力情况，如果挤压管段顶部的应力超过管材的抗拉强度，管道仍会出现裂纹、发生破裂失效，引发泄漏事故[1-3]。因此，准确掌握岩石挤压管段顶部的应力状态同样十分必要，便于评估管段整体的健康状态，及时采取应急措施。

在国内，蒋宏业等[4]针对采空塌陷引起的管道变形进行了受力分析，最大Mises应力和最大竖向应变位置位于塌陷区内边缘且靠近塌陷区中间，最大轴向应力和最大轴向应变位置在塌陷区中间两侧；林森等[5]为了得到海底管道由于海床崎岖所产生的变形和应力状态，采用有限元法验证了不同张力条件下海底凹陷和隆起地形对管道应力的影响。在国外，Jeng DS等[6]研究了波浪荷载作用下埋地管道的应力与变形，计算表明管内角向有效应力和剪应力远大于波浪引起的孔隙压力；Mirzaee-Sisan A等[7]对环焊缝发生塑性变形的残余应力进行了试验测量和有限元对比分析，结果表明有限元模型可以预测焊缝变形的残余应力分布，但是在厚度方面与测量值存在一些差异。目前，国内外对压力管道变形部位应力状态的研究主要通过两种技术手段：一是仿真模拟[8-10]，二是应变间接测试[11]；并且对于岩石挤压变形管道的应力分布状况还没有开展相关研究。因此采用最先进的X射线应力测试技术，直接获取岩石挤压段的各个应力值，了解其分布规律，可以为管道的安全评估和失效预测提供依据。

1 挤压段基本情况

某成品油长输管道，规格为Φ323.9×6.4 mm，3PE+环氧粉末防腐层，设计压力6.4 MPa，运行压力4.6 MPa，材质为L360。由于岩石挤压在管道底部出现凹陷变形，经内变形检测器检测，凹陷绝对深度为41.4 mm，相对变形深度为12.8%，轴向长度242 mm,环向长度206 mm，凹陷类型为平滑型，如图1所示。

图1 岩石挤压管段

2 应力检测

2.1 检测原理

利用X射线应力测试仪进行应力检测，检测原理基于X射线衍射理论[12]，该方法是目前国内外测量结构应力最先进、最直接和最可靠的方法。X射线衍射现象：当一束具有一定波长λ的X射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ范围内接收到反射的X射线强度极大值，即衍射峰。X射线的波长λ、衍射晶面间距d和衍射角2θ之间满足布拉格定律：

2dsinθ=nλ(n=1,2,3……)

(1)

在已知X射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d建立起确定的关系。当材料中应力σ存在时，其晶面间距d必然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此，可以通过测量衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求应力σ。

2.2 检测步骤

选取凹陷管段顶部的5个位置进行应力测试，如图2所示。其中位置1和位置5对应凹陷边缘位置，位置3对应凹陷底部，位置2和位置4对应凹陷底部与边缘的中间位置；5个测试位置等距离分布，相邻两个位置间距60 m。

图2 应力测试位置示意图

用角磨机和钢丝轮去除凹陷部位的3PE+环氧粉末防腐层，露出金属本体，然后用不同粒度的百叶轮、砂纸多次打磨，得到光滑、平整、干净的测试面；将打好圆孔的绝缘胶纸粘贴在打磨好的测点表面，使测试点为位于圆孔中心，保证电解液可以覆盖抛光点所在圆孔的整体，且不会从其他圆孔或其他部位与测试管道接触，然后利用电解抛光仪对测试点进行电解抛光，当肉眼观察表面由打磨的光亮面变成较暗的腐蚀形貌并且不见打磨造成的划痕，停止电解抛光；然后，将表面擦拭干净，利用X射线应力测试仪进行应力测试，每个测试点进行轴向和环向两个方向的应力测试；为更好地反应某一点整体应力状态，引入Mises等效应力σMises作为评价依据，计算公式如下：

(2)

式中，σz和σh为测得的轴向应力和环向应力。

为了对比研究，将挤压岩石移除，使管道充分卸载，按上步骤再次测试凹陷部位应力。

3 应力响应

为了方便分析，以测试位置3为零点，以管道轴向为坐标轴，因此位置1坐标为-120 mm，位置2坐标为-60 mm，位置4坐标为60 mm，位置5坐标为120 mm。移除岩石前后轴向应力值见表1，移除岩石前后轴向应力对比曲线见图3。从表1和图3可以看出，该岩石挤压管道顶部的轴向应力为拉应力(正值)，最大轴向应力出现在凹陷底部对应位置，移除岩石前为302.9 MPa，移除岩石后为225.4 MPa；凹陷边缘对应位置轴向应力次之，移除岩石前为260 MPa左右，移除岩石后为220 MPa左右；底部和边缘中间的对应位置轴向应力较小，移除岩石前位置2和位置4的应力分别为221.6 MPa和236.7 MPa，移除岩石后位置2和位置4的应力为165.9 MPa和176 MPa；岩石移除后的轴向应力明显小于岩石移除前的轴向应力，减小大约40～80 MPa左右，其中凹陷底部对应位置减小值最大，为77.5 MPa，凹陷边缘对应位置减小值较小，底部和边缘中间的对应位置减小值次之。

图3 移除岩石前后轴向应力对比曲线

移除岩石前后环向应力值见表2，移除岩石前后环向应力对比曲线见图4。从表2和图2可以发现，移除岩石前后，挤压管道顶部的环向应力均为压应力(负值)，与同位置的轴向应力相比，数值较小；凹陷底部对应位置环向应力最小，岩石移除前为-32.3 MPa，岩石除后为-26.6 MPa；底部和边缘中间的对应位置环向应力次之，岩石移除前为-50 MPa左右，岩石移除后为-30 MPa左右；凹陷边缘对应位置环向应力相对较大，岩石移除前位置1和位置5的环向应力为-65.5 MPa和-82 MPa，岩石移除后位置1和位置5的环向应力为-39.3 MPa和-58.1 MPa；岩石移除后的环向应力也小于岩石移除前的环向应力，但环向应力减小值曲线与轴向应力减小值曲线相反，其中凹陷底部对应位置减小值最小，仅5.7 MPa，底部和边缘中间的对应位置减小值次之，凹陷边缘对应位置减小值较大，最多减小26.2 MPa。

表2 移除岩石前后环向应力值

图4 移除岩石前后环向应力对比曲线

移除岩石前后Mises等效应力值见表3，移除岩石前后Mises等效应力对比曲线见图5。从表3和图5中可以看出，移除岩石前后，挤压管段顶部的Mises等效应力与轴向应力在管道轴向的分布趋势基本一致，凹陷底部、凹陷边缘对应位置Mises等效较大，这是因为轴向应力值较大，在合成Mises等效应力时其主要作用；岩石移除前，凹陷底部对应位置的Mises等效应力最大，为320.3 MPa，岩石移除后，凹陷边缘对应位置5的Mises等效应力最大，为250.6 MPa；同样，Mises等效应力减小值曲线与轴向应力减小值曲线也类似，但相对平缓，减小值为60～80 MPa，凹陷底部对应位置减小值最大，为80.5 MPa，底部和边缘中间的对应位置减小值次之，为70 MPa左右，凹陷边缘对应位置减小值较小，大约为60 MPa左右。