CN111044186A

CN111044186A - 一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法

Info

Publication number: CN111044186A
Application number: CN201911371053.3A
Authority: CN
Inventors: 成志强; 王言聿; 何清亮
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-04-21

Abstract

本发明提供一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法。在役管道环焊缝缺陷的安全评价，轴向应力是首要因素，无法采用常用的应变计方法检测。无损应力检测方法得到的应力与管道安全评价标准的(基于全尺寸管道承载试验)存在差异。本发明采用无损应力检测方法，对比出厂管道和在役管道的轴向应力，去除管道成型应力，得到管道敷设应力和外部环境应力的和值，这等同于全尺寸管道承载试验中的轴向应力。结合无损探伤的缺陷尺寸和焊缝的材料参数，应用现有管道缺陷安全评价标准，开展在役管道环焊缝缺陷的安全评价。若安全评价结果为不换管，且管体截面的拉伸应力占优，则采用B型套筒补强；若弯曲应力占优，则采用环氧钢套筒补强。

Description

一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法

技术领域

本发明属于管道的安全评估和补强领域，涉及一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法。

背景技术

管道是最安全有效的能源输送方式，广泛分布于世界各地。长输管道是由一节节管道通过环向焊接连接而成。由于野外焊接条件恶劣，环焊缝通常是长输管道质量控制中最薄弱的环节，存在缺陷的概率较高。

目前管道缺陷安全评价使用较多的，如SY/T6477-2017《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》、GB/T 19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评价》、BS7910-2013《金属结构内可接受缺陷的评价指南》等标准，均基于断裂力学理论，采用失效评定图(FailureAssessment Diagram)对环焊缝缺陷进行评价。环焊缝缺陷的走向大多沿环向，管道承受的轴向应力是安全评价的首要因素。

管道安全评价标准是在全尺寸管道承载试验的基础上建立的，试验管道的轴向应力通常采用应变计检测获得。加载前需把应变检测系统的初始应变调到零点。试验管道加载后，依据应变读数便可计算应力。检测在役管道的应力时，它已处于承载状态，无法采用应变计方法获得管道当前状态下的应力。因此，本发明采用无损应力检测方法，如X射线无损应力检测方法，分析处理出厂管道和在役管道的轴向应力，获得等同于全尺寸管道试验的轴向应力，采用现有的管道缺陷评价标准进行安全评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

(1)采用无损应力检测技术，如X射线应力检测仪，对出厂管道的管体横截面开展应力检测，获得管道成型后轴向应力的平均值和分布区间。下文中，把管道成型后轴向应力的平均值称之为管道成型应力。选择管道外表面测点时，需避开环焊缝及其热影响区。

(2)采用同样的无损应力检测方法，选取在役管道的测试截面，沿环向间隔检测应力，获得测点各自的轴向应力，这是包含成型应力、弹性敷设应力和外部环境应力的轴向总应力。

(3)管体测点的轴向总应力与管道成型应力之差即为管道弹性敷设应力和外部环境应力的和值，等同于全尺寸管道承载试验中加载的轴向应力，称之为在役管道测点的等效轴向应力。

(4)需要特别注意的是，必须检测在役管道管体测试截面上与环焊缝缺陷中心在同一母线上测点的应力，这个测点应力减去管道成型应力后，便得到环焊缝缺陷中心的名义轴向应力。它等同于全尺寸管道承载试验时，与缺陷中心在同一母线上管体测点的轴向应力。

(5)依据标准SY/T 6477-2017《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》中关于裂纹型缺陷管道剩余强度的评价方法，首先采用环焊缝缺陷中心的名义轴向应力除以焊缝材料的屈服应力得到载荷比L_r(失效评定图中的横坐标)；然后根据在役管道无损缺陷检测的缺陷尺寸和环焊缝缺陷中心的名义轴向应力，计算环焊缝缺陷的应力强度因子，然后除以焊缝材料的断裂韧性，得到韧性比K_r(失效评定图中的纵坐标)。根据横/纵坐标确定缺陷评定点在失效评定图中的位置。如果评定点在失效评定图的包络线范围内，则安全，反之，则不安全。

(6)为拆分拉压导致的轴向应力和弯曲导致的轴向应力，分析处理在役管道测试截面上各测点的等效轴向应力，其平均值就是在役管道测试截面的轴向应力，即拉压导致的轴向应力。测试截面上某一测点的等效轴向应力与截面轴向应力之差便是该测点的弯曲应力，记录截面测点中绝对值最大的弯曲应力，即弯曲导致的截面最大轴向应力。

(7)在役管道受拉时，比较截面轴向拉伸应力和截面测点的最大弯曲应力，如果弯曲应力占优，建议使用环氧钢套筒补强；如果截面轴向拉伸应力占优，建议使用B型套筒补强。如果在役管道受压，建议监测管道应力变化，可暂时不补强。

根据在役管道的受力特点，其管道轴向总应力可拆分为三大部分，即管道成型轴向应力、管道弹性敷设时产生的轴向应力和外部环境因素导致的轴向应力。外部环境应力指的是由温度、地层沉降、地层移动等引起的轴向应力，管道承受拉压和弯曲均导致轴向应力。在役管道管体上测点的轴向总应力减去成型应力，得到管道弹性敷设时产生的轴向应力和外部环境因素导致的轴向应力之和，等同于全尺寸管道承载试验中加载的轴向应力，称之为在役管道测点的等效轴向应力。

进一步地，由于在役管道环焊缝缺陷的走向大多为沿环向，若管道承受轴向拉应力便成为I型裂纹，是三类裂纹中最为危险的一类，因此在役管道环焊缝缺陷中心的名义轴向应力是安全评价的首要因素。

所述的管道成型应力测试，是在出厂管道同一截面选取周向4个以上测点，测点尽量两两对称，且一定要包含0、3、6、9四个点钟位置。所有测点应避免选在轧痕处，可选取多个测试截面，以获得更多的有效测试数据，得到更准确的管道成型应力和分布区间。环焊缝缺陷中心的名义轴向应力和管道成型应力区间宽度的比值，决定缺陷安全评估的精度，比值越大，精度越高。

所述的在役管道应力检测，于在役管道测试截面上，选取周向4个以上测点，测点尽量两两对称，且一定要包含0、3、6、9四个点钟的位置。特别需要检测与环焊缝缺陷中心同母线的管体测点的轴向应力。

所述管钢材料的失效评定图，具体地，图中的横坐标为载荷比L_r(环焊缝缺陷中心的名义轴向应力与焊缝材料屈服应力之比)，纵坐标为韧性比K_r(环焊缝缺陷的应力强度因子与焊缝材料断裂韧性之比)，其评定曲线由一条曲线方程和截断线组成。以标准SY/T6477-2017《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》为例，描述该曲线的方程如下：

当管材为X70及以下管线钢时，

K_r＝(1-0.14L_r ²)[0.3+0.7exp(-0.65L_r ⁶)](L_r≤L_{r max})

K_r＝0(L_r＞L_{r max})

X80管体焊缝的评估曲线如下：

K_r＝0(L_r＞L_{r max})

L_{r max}为截断线坐标，确定方法如下：

其中，σ_Y为管材的屈服极限，σ_u为管材的抗拉强度。

所述焊缝材料，也可以替换为焊接热影响区材料，甚至是存在裂纹类缺陷的管体材料，三者的力学性能存在差异。

技术方案步骤(7)所述当弯曲应力占优时，建议采用环氧钢套筒补强；拉伸应力占优时，建议采用B型套筒补强。其原因具体地，对比两种补强方式，环氧钢套筒可较好分担内压和弯矩，作业方式不动火，但分担轴向应力的效果有限；B型套筒可较好分担轴向力和弯矩，但不能分担内压，作业方式需要动火，角焊缝的质量难以控制。截面弯曲应力和拉伸应力占优的量化指标为两者的比值，由试验确定具体数值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明应用无损应力检测技术，检测出厂管道和在役管道的轴向应力，获得了与全尺寸管道承载试验中轴向应力等效的在役管道轴向应力。这样可以应用现有标准，基于在役管道等效轴向应力、缺陷尺寸和材料力学性能参数，对环焊缝缺陷进行安全评估。此外，根据在役管道的受力状态，建议了相应的补强方式。

附图说明

图1为流程图。

图2为管道应力测点选取图，适用于出厂管道和在役管道。

图3为管道测试截面的应力分布曲线图。

图4为失效评定图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，包括以下步骤：

(1)采用无损应力检测技术，如X射线应力检测仪，检测管道成型轴向应力。在出厂管道同一截面选取周向4个以上测点，测点尽量两两对称，且一定要包含0、3、6、9四个点钟位置，建议一个截面选取8个测点。所有测点应避免选在轧痕处，可选取多个截面，获得更多的有效测试数据，得到更准确的管道成型应力的平均值和分布区间。

(2)采用同样的无损应力检测方法，对在役管道的管体进行应力检测，避开环焊缝及其热影响区，特别需要检测与环焊缝缺陷中心同母线管体上的测点，得到测点各自的轴向总应力。

(3)在役管道测试截面上测点的轴向总应力与管道成型应力之差即为管道弹性敷设应力和外部环境应力的和值，等同于全尺寸管道承载试验中加载的轴向应力，称之为在役管道测点的等效轴向应力。

(4)以标准SY/T6477-2017《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》中关于裂纹型缺陷管道剩余强度的评价方法为例，首先采用环焊缝缺陷中心的名义轴向应力，除以焊缝材料的屈服应力得到载荷比L_r(失效评定图中的横坐标)，然后根据在役管道无损缺陷检测的缺陷尺寸和环焊缝缺陷中心的名义轴向应力，计算环焊缝缺陷的应力强度因子，再除以焊缝材料的断裂韧性，得到韧性比K_r(失效评定图中的纵坐标)。根据横/纵坐标确定缺陷评定点在失效评定图中的位置。如果评定点在失效评定图的包络线范围内，则安全，反之，则不安全。

(5)分析处理测试截面上测点的等效轴向应力，可得到截面的轴向应力和弯曲应力；截面应力分布如图例3所示。比较测试截面的轴向拉伸应力和截面上测点的最大弯曲应力，如果弯曲应力占优，建议使用环氧钢套筒补强；如果截面轴向拉伸应力占优，建议使用B型套筒补强。如果测试截面承受轴向压应力，建议监测管道应力变化，可暂时不补强。截面弯曲应力和拉伸应力占优的量化指标为两者的比值，由试验确定具体数值。

上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，如采用超声应力检测、磁应力检测方法等，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法，其特征在于，采用无损应力检测方法，对比出厂管道和在役管道的应力，获得管道敷设应力和外部环境应力的和值，采用现有管道缺陷评价标准，结合焊缝缺陷无损探伤获得的缺陷尺寸和焊缝材料的力学性能参数，开展在役管道环焊缝缺陷的安全评价，通过分析管道敷设应力和外部环境应力，拆分管道截面的拉伸应力和弯曲应力，并由此决定选择B型套筒补强还是环氧钢套筒补强。

2.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法，其特征在于，采用无损应力检测方法可以获得管体的轴向总应力，而在役管道的轴向总应力可分为管道成型应力、管道弹性敷设应力和外部环境应力，外部环境应力指的是由温度、地层沉降、地层移动等引起的轴向应力。

3.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法，其特征在于，在役管道的应力和出厂管道的应力差，便是管道敷设应力和外部环境应力的和值，这等同于全尺寸管道承载试验中的轴向应力，说明书中称之为在役管道测点等效轴向应力。

4.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法，其特征在于，采用说明书中称之为环焊缝缺陷中心的名义轴向应力除以缺陷材料的屈服应力得到载荷比L_r(失效评定图中的横坐标)。

5.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法，具体地，根据在役管道无损缺陷检测的缺陷尺寸和环焊缝缺陷中心的名义轴向应力，计算环焊缝缺陷的应力强度因子，除以焊缝材料的断裂韧性，得到韧性比K_r(失效评定图中的纵坐标)。

6.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷安全评价及补强方式选择的方法，具体地，在役管道测试截面上测点轴向应力的平均值，作为管道截面的轴向应力，在役管道截面上测点的等效轴向应力与截面轴向应力之差便是该测点的弯曲应力。

7.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷的安全评价及补强方式的选择方法，具体地，在安全评价结果为不换管的前提下，提出若测试截面的拉伸应力占优，则采用B型套筒补强；若弯曲应力占优，则采用环氧钢套筒补强；若测试截面承受轴向压应力，建议监测管道应力变化，可暂时不补强。

8.根据权利要求1所述的一种在役管道环焊缝缺陷的安全评价及补强方式的选择方法，具体地，缺陷安全评估的精度采用环焊缝缺陷中心的名义轴向应力和管道成型应力区间宽度的比值衡量，比值越大，精度越高。