但在進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)時(shí)，因注意應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置原則：管道總應(yīng)力由管道運(yùn)行中的工作應(yīng)力、管道自重和安裝等外界因素引起的彎曲應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力幾部分組成。因此測(cè)試應(yīng)重點(diǎn)選擇在上述因素均具備的地方。

（7）依據(jù)管道的受力情況，結(jié)合流場(chǎng)分析及應(yīng)力理論分析結(jié)果，提出振動(dòng)減緩措施建議，同時(shí)綜合管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果及管道受力情況，最終確定管道的安全狀況，提出運(yùn)行維護(hù)建議及措施。

3工程應(yīng)用

3.1資料調(diào)查收集

某站場(chǎng)振動(dòng)管道材質(zhì)為L360N，管道規(guī)格Ф273×6.3 mm。投運(yùn)時(shí)間2014年11月，介質(zhì)為純凈天然氣，壓力表為3.0 MPa，出站壓力為2.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度-50～70℃，運(yùn)行溫度5～20℃。通過前期資料調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該管道運(yùn)行時(shí)存在較大振動(dòng)并伴有管內(nèi)介質(zhì)嘯叫。初步懷疑振動(dòng)是因管道改造設(shè)計(jì)不盡合理、流道變化較劇烈、上下游壓降較大等因素造成的。

3.2宏觀檢查及單線圖測(cè)繪

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)管道防銹漆局部破損，破損處銹蝕，支吊架銹蝕，閥門銹蝕，法蘭及緊固件銹蝕，管道標(biāo)識(shí)不清。測(cè)繪的振動(dòng)管道單線圖見圖2。

圖 2  振動(dòng)管道單線圖

3.3流場(chǎng)分析

采用流場(chǎng)分析軟件ANSYS-CFX，對(duì)振動(dòng)管道進(jìn)行流場(chǎng)分析，流場(chǎng)分布如圖3。

圖3  流場(chǎng)分布

從圖3可以看出，管內(nèi)流速在X方向?yàn)樾�轉(zhuǎn)流動(dòng)，流速最大的位置出現(xiàn)在2號(hào)標(biāo)識(shí)處為26.92 m/s， 1號(hào)標(biāo)識(shí)處流速為24.89 m/s。因1號(hào)與2號(hào)的流速較大且方向相反，引發(fā)管道水平方向的振動(dòng)。

3.4管體及焊縫缺陷檢測(cè)

對(duì)流速較大的3個(gè)彎頭進(jìn)行超聲波測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)最大局部減薄0.40 mm，位于流速較大處。滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1號(hào)處表面有裂紋，缺陷長(zhǎng)10 mm。

3.5管系結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及模態(tài)分析

采用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)振動(dòng)管道進(jìn)行力學(xué)及模態(tài)分析^[5]。振動(dòng)管道模型如圖4。

 圖4 振動(dòng)管道有限元模型

  通過ANSYS應(yīng)力分析計(jì)算，得到管道的應(yīng)力和位移結(jié)果（表 1）。

              表 1  應(yīng)力和位移結(jié)果

通過ANSYS模態(tài)分析計(jì)算，振動(dòng)管道的1階和2階固有振動(dòng)頻率以及振型見表 2。

表 2  1階和2階固有振動(dòng)頻率以及振型

由表 2可知，振動(dòng)管道的主要振動(dòng)形式為沿X軸的水平振動(dòng)，振動(dòng)原因為管道內(nèi)天然氣介質(zhì)沖擊第一個(gè)彎頭和第四個(gè)彎頭所致，與流程模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符。

3.6應(yīng)力檢測(cè)

3.6.1應(yīng)力檢測(cè)

參照流場(chǎng)、模態(tài)、應(yīng)力分析結(jié)果，選取位移最大點(diǎn)和應(yīng)力最大點(diǎn)，采用X射線衍射應(yīng)力分析儀^[6,7]對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。

圖5  現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)及測(cè)點(diǎn)分布

3.6.2 應(yīng)力檢測(cè)分析 

計(jì)算得到各點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力。

（1）位移最大點(diǎn)

由表 2可知，位移最大點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力-220.7～-184.0 MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，變化較小。軸向應(yīng)力-219.8～-135.2MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。Mises等效應(yīng)力165.1～220.3 MPa。最大應(yīng)力值為測(cè)點(diǎn)1處環(huán)向應(yīng)力-220.7 MPa，最大Mises應(yīng)力同樣出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1處為220.3 MPa，實(shí)測(cè)值小于L360N規(guī)定的最小許用應(yīng)力。

表 2  位移最大點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

（2）應(yīng)力最大點(diǎn)

由表 3可知，測(cè)點(diǎn)2處環(huán)向應(yīng)力-194.7～-97.4MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。軸向應(yīng)力-178.3～-53.2MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。Mises等效應(yīng)力93.9～187.0 MPa。最大應(yīng)力值為測(cè)點(diǎn)2處環(huán)向應(yīng)力-194.7 MPa，最大Mises應(yīng)力同樣出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2處為187.0 MPa，實(shí)測(cè)值小于L360N規(guī)定的最小許用應(yīng)力。

表 3  應(yīng)力最大點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

。

參照《金屬工業(yè)管道設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，管道的實(shí)測(cè)最大應(yīng)力220.3 MPa，小于L360N規(guī)定的最小許用應(yīng)力。 

4整改措施及建議

減振建議： ①調(diào)壓閥后設(shè)置緩沖器。利用其足夠大的容積，可以直接緩沖氣流沖擊，也同時(shí)增大了氣流脈動(dòng)的阻尼系數(shù)，而且還可以改變管系與氣柱的固有頻率。②在現(xiàn)有支承架與管子的中間墊上防振橡膠墊。改變管道的固有頻率，使壓力脈動(dòng)的頻率及其倍頻與管道的固有頻率不相吻合；同時(shí)還減少管道與支架之間的金屬摩擦，防止直接產(chǎn)生摩擦造成噪音和摩擦裂紋而使管路損壞。③在四個(gè)彎頭處和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)較劇烈的地方分別增設(shè)管卡和支架，對(duì)其進(jìn)行固定，但不得強(qiáng)行固定在某一點(diǎn)。

對(duì)銹蝕處進(jìn)行打磨并重新敷設(shè)防腐層；打磨消除表面裂紋。

5 結(jié)束語

針對(duì)站場(chǎng)架空振動(dòng)管道的特點(diǎn)，提出的檢測(cè)方法充分考慮了管道振動(dòng)的原因和機(jī)理，可有效解決站場(chǎng)振動(dòng)管道的檢測(cè)問題，同時(shí)提高了缺陷檢出率。站場(chǎng)埋地振動(dòng)管道的檢測(cè)方法，還需進(jìn)一步開展研究。

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作者:冉文燊，1989年生，碩士，工程師，現(xiàn)在中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院從事壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)與研究工作。

《管道保護(hù)》2018年第3期（總第40期）