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，基于遠場應力檢測、矯頑力測量技術對補強前后的環(huán)焊縫分別進行應力檢測。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(jié)果表明，以遠場應力檢測分析，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。

關鍵詞：管道；環(huán)焊縫；纖維復合材料；焊縫補強；矯頑力；應力

在役管道通過開展環(huán)焊縫全面檢測，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫缺陷部位，采取修復補強措施，消減環(huán)焊縫質(zhì)量風險。筆者基于遠場應力檢測、矯頑力測量技術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

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

2  遠場應力檢測技術

2.1  遠場應力檢測

（1）檢測原理。遠場應力檢測是針對具有一定埋深的、受地磁場磁化的鐵磁性管道開展的。管道處于微弱的地磁場環(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，進而引起管道外一定范圍內(nèi)磁場的變化，如圖 1所示。

圖 1 管道局部缺陷的磁場強度變化

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

圖 2 遠場應力檢測現(xiàn)場

（2）遠場應力風險等級。遠場應力風險等級如表 1所示。

2.2  焊縫補強效果遠場應力檢測

對西三線某管段45處缺陷環(huán)焊縫進行遠場應力檢測，其中4處焊縫已完成補強。焊縫補強時未進行管道壓力調(diào)整。

分別進行焊縫補強前后應力檢測，磁場曲線分布對比示例如圖 3所示，補強前焊縫區(qū)磁場變化量較大，補強后磁場變化量有所降低，表明該處應力集中程度有所降低，可見在提高管道許用應力的同時一定程度降低了應力集中程度。

圖 3 環(huán)焊縫補強前后遠場應力檢測結(jié)果示例

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

3  矯頑力測量技術

3.1  矯頑力與應力關系

矯頑力測量技術是一種焊縫在線應力測試技術，首先采用目標測試管材進行實驗室應力與矯頑力標定試驗，得到該鋼材矯頑力與應力關系曲線，進而在現(xiàn)場開挖焊縫處進行矯頑力測量，得到其對應的環(huán)焊縫應力水平。

利用矯頑力測量儀分別測量X80試件在單向、雙向拉伸狀態(tài)下的矯頑力，同時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，通過擬合10次試驗數(shù)據(jù)得到矯頑力與應力的對應關系。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。最后通過修正給出圖 4所示該鋼材的標定關系曲線。

圖 4 矯頑力與應力關系曲線

本測試管體鋼材是X80鋼，根據(jù)GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》規(guī)定，一級一類地區(qū)強度設計系統(tǒng)取0.80，西三線符合一級一類地區(qū)，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(nèi)時，管體處于安全模式，一級一類地區(qū)最大應力不超過444 MPa，對應矯頑力值應不超過10。當矯頑力值在10.0至11.5時，試件處于安全系數(shù)大于1的狀態(tài)，最大應力不超過555 MPa。當矯頑力值大于11.5（小于16.0）時，矯頑力與應力關系曲線斜率變大，鋼材進入強化階段，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(jié)果，采用矯頑力測量儀對西三線某作業(yè)區(qū)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(tǒng)一測點距離和位置，如圖 5所示測點布置。

圖 5 測點位置示意圖

測點位于管道外壁沿管流順時針方向12點、3點、6點、9點鐘位置4條母線上，每條母線布置5個測點，從上游到下游依次編號1－5，其中3號測點位于母線與焊縫的交點處，左右測點對稱分布，每道焊縫測試數(shù)據(jù)量為40個。每個測點順序測量軸向、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，矯頑力與應力呈線性正相關。

軸向矯頑力和環(huán)向應力較大的10處環(huán)焊縫分別進行纖維復合材料補強前后矯頑力測量，示例焊縫其各時鐘及測點位置測量結(jié)果如圖 6所示。圖中紅線為環(huán)焊縫許用應力下矯頑力，藍線為補強前矯頑力，橙線為補強后矯頑力。可見，補強前矯頑力較大，大都超過了許用應力下矯頑力，應力水平超過了其許用應力值，存在高安全風險；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(tǒng)計結(jié)果及數(shù)據(jù)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。可見，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。

圖 7 10處環(huán)焊縫補強前后最大應力數(shù)據(jù)

4  結(jié)論

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

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

 

作者簡介：陶建中 ，工程師，現(xiàn)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。