陶建中 程磊

國家管網(wǎng)集團西部管道公司新疆輸油氣分公司

摘要：為分析纖維復合材料對管道環(huán)焊縫的補強效果，基于遠場(chǎng)應力檢測、矯頑力測量技術(shù)對補強前后的環(huán)焊縫分別進(jìn)行應力檢測。分析了補強前后應力分布和最大應力值，考察了纖維復合材料對管道含缺陷環(huán)焊縫的補強效果。結果表明，以遠場(chǎng)應力檢測分析，纖維復合材料補強效果有限；以矯頑力測量分析，各處環(huán)焊縫應力明顯降低至許用應力值以下，補強效果顯著(zhù)。

關(guān)鍵詞：管道；環(huán)焊縫；纖維復合材料；焊縫補強；矯頑力；應力

在役管道通過(guò)開(kāi)展環(huán)焊縫全面檢測，發(fā)現環(huán)焊縫缺陷部位，采取修復補強措施，消減環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險。筆者基于遠場(chǎng)應力檢測、矯頑力測量技術(shù)分析了纖維復合材料對焊縫的修復補強效果。

1  纖維復合材料補強技術(shù)

纖維復合材料補強技術(shù)主要利用纖維材料的高強度特性，用黏結樹(shù)脂在服役管道外包覆一個(gè)復合材料補強層，以恢復含缺陷管道的服役強度。其優(yōu)點(diǎn)是不用進(jìn)行管道焊接，避免焊穿和發(fā)生氫脆、冷脆的可能，極大地降低了操作風(fēng)險，并且可以對管道進(jìn)行帶壓修復，保障管道不間斷運行。

2  遠場(chǎng)應力檢測技術(shù)

2.1  遠場(chǎng)應力檢測

（1）檢測原理。遠場(chǎng)應力檢測是針對具有一定埋深的、受地磁場(chǎng)磁化的鐵磁性管道開(kāi)展的。管道處于微弱的地磁場(chǎng)環(huán)境中，管體局部應力狀態(tài)的變化致使其磁化率發(fā)生改變，進(jìn)而引起管道外一定范圍內磁場(chǎng)的變化，如圖 1所示。

圖 1 管道局部缺陷的磁場(chǎng)強度變化

遠場(chǎng)應力檢測是利用金屬磁效應來(lái)檢測部件應力集中部位的快速無(wú)損檢測方法，無(wú)需對部件表面進(jìn)行處理即可診斷鐵磁性金屬部件的應力集中區、微觀(guān)缺陷和損傷等，是無(wú)損檢測領(lǐng)域的一種新型檢測手段（圖 2）。

圖 2 遠場(chǎng)應力檢測現場(chǎng)

（2）遠場(chǎng)應力風(fēng)險等級。遠場(chǎng)應力風(fēng)險等級如表 1所示。

2.2  焊縫補強效果遠場(chǎng)應力檢測

對西三線(xiàn)某管段45處缺陷環(huán)焊縫進(jìn)行遠場(chǎng)應力檢測，其中4處焊縫已完成補強。焊縫補強時(shí)未進(jìn)行管道壓力調整。

分別進(jìn)行焊縫補強前后應力檢測，磁場(chǎng)曲線(xiàn)分布對比示例如圖 3所示，補強前焊縫區磁場(chǎng)變化量較大，補強后磁場(chǎng)變化量有所降低，表明該處應力集中程度有所降低，可見(jiàn)在提高管道許用應力的同時(shí)一定程度降低了應力集中程度。

圖 3 環(huán)焊縫補強前后遠場(chǎng)應力檢測結果示例

焊縫補強前后焊縫區磁場(chǎng)變化量及風(fēng)險等級變化如表 2所示。對于焊縫區磁場(chǎng)變化量較小、風(fēng)險等級較低的焊縫，補強后磁場(chǎng)變化量有所降低，表明該處應力集中程度有所降低，應力風(fēng)險等級由二級降為一級。但焊縫區磁場(chǎng)變化量較大、風(fēng)險等級較高時(shí)，盡管補強后磁場(chǎng)變化量有所降低，但應力集中程度仍較高，風(fēng)險等級仍為三級，補強效果有限。

3  矯頑力測量技術(shù)

3.1  矯頑力與應力關(guān)系

矯頑力測量技術(shù)是一種焊縫在線(xiàn)應力測試技術(shù)，首先采用目標測試管材進(jìn)行實(shí)驗室應力與矯頑力標定試驗，得到該鋼材矯頑力與應力關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)而在現場(chǎng)開(kāi)挖焊縫處進(jìn)行矯頑力測量，得到其對應的環(huán)焊縫應力水平。

利用矯頑力測量?jì)x分別測量X80試件在單向、雙向拉伸狀態(tài)下的矯頑力，同時(shí)使用電阻應變片測量應變，計算出對應的應力，每次從零載荷一直加載到試件拉斷為止，重復試驗10次，通過(guò)擬合10次試驗數據得到矯頑力與應力的對應關(guān)系。綜合考慮溫度影響，獲得不同拉力加載狀態(tài)下溫度對矯頑力測量的影響。最后通過(guò)修正給出圖 4所示該鋼材的標定關(guān)系曲線(xiàn)。

圖 4 矯頑力與應力關(guān)系曲線(xiàn)

本測試管體鋼材是X80鋼，根據GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》規定，一級一類(lèi)地區強度設計系統取0.80，西三線(xiàn)符合一級一類(lèi)地區，許用應力可取公式（1）的應力值。

[σ]＝σs F＝555×0.8＝444 MPa         （1）

由圖 4可知，對于X80鋼，矯頑力值在0～10范圍內時(shí)，管體處于安全模式，一級一類(lèi)地區最大應力不超過(guò)444 MPa，對應矯頑力值應不超過(guò)10。當矯頑力值在10.0至11.5時(shí)，試件處于安全系數大于1的狀態(tài)，最大應力不超過(guò)555 MPa。當矯頑力值大于11.5（小于16.0）時(shí)，矯頑力與應力關(guān)系曲線(xiàn)斜率變大，鋼材進(jìn)入強化階段，處于危險狀態(tài)。

3.2  焊縫補強效果的矯頑力測量

基于缺陷焊縫應力檢測結果，采用矯頑力測量?jì)x對西三線(xiàn)某作業(yè)區初次測量的34處環(huán)焊縫中軸向矯頑力和環(huán)向應力較大的10處環(huán)焊縫進(jìn)行纖維復合材料補強前后的應力復測及對比。為確保測試合理和有效，采用統一測點(diǎn)距離和位置，如圖 5所示測點(diǎn)布置。

圖 5 測點(diǎn)位置示意圖

測點(diǎn)位于管道外壁沿管流順時(shí)針?lè )较?2點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)鐘位置4條母線(xiàn)上，每條母線(xiàn)布置5個(gè)測點(diǎn)，從上游到下游依次編號1－5，其中3號測點(diǎn)位于母線(xiàn)與焊縫的交點(diǎn)處，左右測點(diǎn)對稱(chēng)分布，每道焊縫測試數據量為40個(gè)。每個(gè)測點(diǎn)順序測量軸向、橫向矯頑力，其中，軸向矯頑力反映環(huán)向應力水平、橫向矯頑力反映軸向應力水平，矯頑力與應力呈線(xiàn)性正相關(guān)。

軸向矯頑力和環(huán)向應力較大的10處環(huán)焊縫分別進(jìn)行纖維復合材料補強前后矯頑力測量，示例焊縫其各時(shí)鐘及測點(diǎn)位置測量結果如圖 6所示。圖中紅線(xiàn)為環(huán)焊縫許用應力下矯頑力，藍線(xiàn)為補強前矯頑力，橙線(xiàn)為補強后矯頑力�？梢�(jiàn)，補強前矯頑力較大，大都超過(guò)了許用應力下矯頑力，應力水平超過(guò)了其許用應力值，存在高安全風(fēng)險；補強后應力水平均下降到許用應力以下，降低了管道安全風(fēng)險，管道恢復安全運行狀態(tài)。

圖 6 環(huán)焊縫補強前后矯頑力示例

10處環(huán)焊縫纖維復合材料補強前后最大應力統計結果及數據變化如圖 7所示，補強修復后各處環(huán)焊縫應力明顯降低，且均在許用應力值以下，最大應力變化值﹣410 MPa～﹣170 MPa�？梢�(jiàn)，纖維復合材料補強可有效降低焊縫處最大應力，補強效果顯著(zhù)。

圖 7 10處環(huán)焊縫補強前后最大應力數據

4  結論

（1）經(jīng)遠場(chǎng)應力檢測結果分析，纖維復合材料補強技術(shù)可一定程度降低環(huán)焊縫應力水平，對于磁場(chǎng)變化量較小、風(fēng)險等級較低的焊縫效果比較明顯；對磁場(chǎng)變化量較大、風(fēng)險等級較高的焊縫未能有效降低風(fēng)險等級，其補強效果有限。

（2）經(jīng)矯頑力測量結果分析，纖維復合材料補強技術(shù)可有效降低環(huán)焊縫應力至許用應力值下，補強效果顯著(zhù)。鑒于軸向矯頑力對應的管道環(huán)向應力并非環(huán)焊縫的主要風(fēng)險，實(shí)踐中需結合其他指標判定焊縫補強效果。

 

作者簡(jiǎn)介：陶建中 ，工程師，現任西部管道新疆輸油氣分公司副經(jīng)理，主要從事管道管理工作。

通訊作者：程磊， 工程師， 主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：18195867576，645854208@qq.com。