環(huán)向裂縫缺陷管道帶壓密封的安全注劑壓力影響因素分析

(1.西安石油大學石油工程學院 陜西西安 710065；2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室 陜西西安 710065；3.中國石油新疆油田分公司采油一廠 新疆克拉瑪依 834000)

油田管道運行過程中不可避免地存在由于腐蝕穿孔、焊縫缺陷、環(huán)境、第三方破壞等因素造成的管道破損、泄漏，給油田帶來極大的安全隱患，事故管道的應(yīng)急維搶修技術(shù)對保障生產(chǎn)安全具有重要作用[1-3]。注劑式帶壓密封技術(shù)具有不動火、不停產(chǎn)，適用溫度、壓力和流體介質(zhì)范圍廣等優(yōu)點[4-6]，近年來在油氣管道維護領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在帶壓密封過程中，若注劑壓力過大，致使作用在管道缺陷處的等效應(yīng)力超過管道的極限承壓能力時，將存在擴大缺陷、破壞管道的風險[7-9]。因此，該技術(shù)的核心問題是如何確定安全注劑壓力，即注劑密封過程中缺陷管道所受到的最大等效應(yīng)力[10-11]。

目前，已有不少研究分析了管道在圓形、方形、雙點、多點等多種缺陷形式下的承壓能力，同時對管道經(jīng)過帶壓焊接、帶壓纏繞、非金屬材料補強、密封卡具等方法補強修復后的承壓能力進行了評價[12-14]。然而，對密封作用過程中管道承壓能力的評價研究較少。對注劑式不動火帶壓密封技術(shù)而言，缺陷形式、形態(tài)尺寸、管徑大小等均會對注劑壓力產(chǎn)生影響，其影響規(guī)律也有待進一步研究[15-19]。為此，本文作者針對含環(huán)向裂縫缺陷的金屬管道，采用實驗與仿真模擬相結(jié)合的方法分析裂縫長度、管徑和管道運行壓力對最大等效應(yīng)力的影響，這將為提高帶壓密封技術(shù)的作業(yè)成功率、確保施工安全性、可靠性提供理論支撐。

1 安全注劑壓力的有限元模擬

為了進一步研究含環(huán)向裂縫缺陷的管道在帶壓注劑密封過程中的應(yīng)力變化，采用有限元方法首先模擬實驗工況，對數(shù)值模擬的可靠性進行驗證；然后通過仿真模擬分析裂縫長度、管徑大小、管道運行壓力對注劑壓力的影響規(guī)律。

1.1 有限元模型

首先，采用ANSYS軟件內(nèi)部的自上而下的建模方法對含環(huán)向裂紋缺陷的金屬管道建立三維實體模型，如圖1(a)所示；模型管道的材質(zhì)參數(shù)與實驗所測試參數(shù)保持一致(屈服強度為350 MPa，抗拉強度為512 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3)。

圖1 含環(huán)向裂縫缺陷的金屬管道建模及網(wǎng)格劃分

第二，進行有限元網(wǎng)格劃分時，選用Solid186單元，該單元是一個高階三維20節(jié)點的固體結(jié)構(gòu)單元，可以較準確地模擬環(huán)向裂紋缺陷泄漏管體；其中，管體部分選用較大的網(wǎng)格尺寸，而對于泄漏缺陷及其附近區(qū)域設(shè)置了較小的網(wǎng)格尺寸，以確保計算結(jié)果的準確性，網(wǎng)格劃分如圖1(b)所示。

第三，進行注劑式帶壓密封作業(yè)時，管道外壁會在泄漏缺陷處受到卡具密封空腔內(nèi)密封注劑的作用，作用區(qū)域即為卡具密封空腔在管道外壁泄漏缺陷附近處所對應(yīng)的區(qū)域，如圖2所示陰影區(qū)域。在模擬過程中，文中認為卡具密封空腔內(nèi)部密封注劑對管道外壁的作用為均勻等值載荷，方向沿管道徑向向內(nèi)，載荷施加區(qū)域即為圖2中陰影區(qū)域。

圖2 載荷施加區(qū)域

第四，失效準則判定。其中失效準則依失效模式而定，油氣管線的失效模式主要是局部塑性失效模式，即認為泄漏缺陷區(qū)的等效應(yīng)力(Von Mises米塞斯條件)達到屈服極限后管線失效。采用基于這種塑性失效的準則，在三維主應(yīng)力空間上，Von Mises條件表述為

(1)

式中：σVon為等效應(yīng)力，MPa；σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應(yīng)力，即軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，MPa；σs為材料的許用應(yīng)力，MPa。

2 有限元模型的實驗驗證

為確保所建立有限元模型及方法的準確性及可靠性，采用室內(nèi)實驗對其進行驗證。

2.1 安全注劑壓力測試實驗

選用20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼為試件。通過實驗測試確定該管材的實際屈服強度為350 MPa，抗拉強度為512 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，管徑為325 mm，壁厚為7 mm。

在管道上造一條長度為80 mm、寬度可忽略不計的環(huán)向裂縫，并在裂縫周圍布置粘貼應(yīng)變片，如圖3所示；然后在密封卡具上對應(yīng)位置進行開孔，將測試線引出，接入應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖3所示；按照注劑式帶壓密封技術(shù)進行注劑操作，測量管道外壁在一定密封注劑壓力作用下的應(yīng)變值；采集過程數(shù)據(jù)并處理，計算圖3中點A、B、C、D處的等效應(yīng)力，繪制注劑壓力-應(yīng)變曲線。

圖3 應(yīng)變片布置實物圖

圖4 實驗及數(shù)據(jù)采集裝置

采用3個電阻應(yīng)變片組成的應(yīng)變花來測定3個選定方向上的應(yīng)變，以此求得對應(yīng)測量點A、B處的主應(yīng)力及其主方向，按照第四強度理論求得其Von Mises等效應(yīng)力為

(2)

通過對采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行整理、計算，可得到測點A的等效應(yīng)力。

2.2 模型的實驗驗證

按照實驗相同工況進行了仿真模擬，將經(jīng)過后處理得到測量點A的等效應(yīng)力與實驗結(jié)果進行比較，如圖5所示?？梢钥闯觯耗M結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，證明了文中數(shù)值模擬方法的可靠性。

圖5 模擬結(jié)果的實驗驗證

3 模擬結(jié)果及討論

3.1 不同裂縫長度對管道等效應(yīng)力的影響

建立管徑為377 mm、壁厚為7 mm、管道內(nèi)壓為1.6 MPa，缺陷長度分別為5、10、15、20、40、60、80 mm的有限元模型，模擬泄漏管道在帶壓密封注劑時的“失效”狀態(tài)，分析等效應(yīng)力值隨缺陷長度的變化規(guī)律。

圖6示出了裂縫長度分別為10、20 mm的管道應(yīng)力分布云圖。

圖6 不同環(huán)向裂縫長度的金屬管道等效應(yīng)力云圖

圖7示出了等效應(yīng)力值隨裂縫長度的變化曲線?？梢钥闯觯浩渌麠l件相同時，隨著環(huán)向裂縫缺陷長度的增加，最大等效應(yīng)力減小，進行帶壓密封時所施加的注劑壓力也越小。這是因為對于有環(huán)向裂縫缺陷的管道而言，裂縫長度越大，管道的剩余強度越小，承壓能力越低，失效壓力就越低，其對應(yīng)的最大等效應(yīng)力越小，注劑過程中所施加的外力也應(yīng)越小。

圖7 管道等效應(yīng)力隨裂縫長度變化曲線

3.2 不同管徑大小對管道等效應(yīng)力的影響

建立裂縫長度分別為15和20 mm，管道內(nèi)壓為1.6 MPa，管徑分別為219、273、325、377、426 mm，壁厚為7 mm的有限元模型，模擬泄漏管道在帶壓密封注劑時的“失效”狀態(tài)，分析等效應(yīng)力值隨管徑大小的變化規(guī)律。

圖8示出了管徑分別為219和426 mm，裂縫長度為15 mm的管道應(yīng)力分布云圖。圖9示出了等效應(yīng)力值隨管徑的變化曲線。結(jié)果表明：其他條件相同時，隨著管徑的增大，管道的最大等效應(yīng)力先減小后增加。這是因為當環(huán)向裂縫長度相同時，管徑越大，曲率越小，裂縫的軸向應(yīng)力越高，導致管道抵抗軸向變形的能力減弱，進而致使含缺陷管道的最大等效應(yīng)力降低[7]；此外、隨著管徑增大，F(xiàn)olias膨脹系數(shù)減小，管道失效壓力增大，即管道承受的最大等效應(yīng)力升高[12,14]。以上2種作用的綜合競爭導致最大等效應(yīng)力先減小后增加。

圖8 不同管徑的金屬管道等效應(yīng)力云圖

圖9 管道等效應(yīng)力隨管徑變化曲線

3.3 不同運行壓力對管道等效應(yīng)力的影響

建立管徑為168 mm，壁厚為5 mm，管道內(nèi)壓分別為1.6、2.5、5、8 MPa、裂縫長度分別為5、10、20、40、60、80 mm的有限元模型，模擬泄漏管道在帶壓密封注劑時的“失效”狀態(tài)，分析等效應(yīng)力值隨管道運行壓力的變化規(guī)律。

圖10示出了裂縫長度為5 mm，管道內(nèi)壓分別為1.6和5 MPa時的管道應(yīng)力分布云圖，圖11示出了等效應(yīng)力值隨管道內(nèi)壓的變化曲線。結(jié)果表明：對于同一管徑、壁厚和環(huán)向裂紋長度的金屬管道，最大等效應(yīng)力隨著運行壓力的增大而增大。這是因為運行壓力越大，泄漏量上升，需要施加在堵漏裝置上的注劑壓力越大，從而有效防止泄漏，即管道的最大等效應(yīng)力越高。

圖10 含環(huán)向裂縫缺陷的金屬管道在不同運行壓力下的等效應(yīng)力云圖

圖11 管道等效應(yīng)力隨運行壓力變化曲線

4 結(jié)論

(1)建立缺陷管道帶壓注劑分析的有限元模型并進行計算，計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，證實了所用模擬方法的準確性與可靠性。

(2)數(shù)值模結(jié)果表明：管道的安全注劑壓力隨著裂縫長度的增加而降低，隨著管徑的增大先減小后增大，隨著管道運行壓力的增大而增大。

(3)下一步可繼續(xù)研究所用密封卡具膠槽的寬度及膠槽距離缺陷邊緣的距離等其他因素對安全注劑壓力的影響，并通過數(shù)值模擬總結(jié)出安全壓力的計算公式，編寫計算軟件，方便現(xiàn)場使用，提高作業(yè)效率、成功率和安全性。