站場(chǎng)架空管道應(yīng)力檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

李 恒 趙金強(qiáng) 丁彥龍 王新慧

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

天然氣作為最常見(jiàn)的一種潔凈優(yōu)質(zhì)能源,在工業(yè)生產(chǎn)和民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其中壓力管道是天然氣輸送的主要方式。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局最新通告,截至2020年底,我國(guó)壓力管道總長(zhǎng)已達(dá)101.26萬(wàn)km[1]。隨著管道數(shù)量的急劇增長(zhǎng),因地基沉降、操作參數(shù)和工藝流程改變等諸多因素影響,在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)位移,致使管道變形、傾斜及破壞的現(xiàn)象頻頻發(fā)生,甚至產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,存在重大的安全隱患。如何有效地保障站場(chǎng)管道安全運(yùn)行,對(duì)結(jié)構(gòu)位移發(fā)生變化后管道的檢驗(yàn)檢測(cè)方法的研究是十分必要的[2]。

站場(chǎng)壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)國(guó)內(nèi)主要參照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》進(jìn)行,以常規(guī)的宏觀檢查、壁厚測(cè)定以及焊縫檢測(cè)為主,相對(duì)位移管道檢驗(yàn)需求,沒(méi)有針對(duì)性,不能從根本上排除隱患。本文在近幾年來(lái)站場(chǎng)管道檢驗(yàn)檢測(cè)方法研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)例,提出了一種高效有針對(duì)性的檢測(cè)方法,并制定整改措施,有效地指導(dǎo)使用單位排除安全隱患。

1 機(jī)理分析及技術(shù)路線

1.1 機(jī)理分析

站場(chǎng)架空管道受力情況主要有：1）管道自重,包含連接閥門(mén)、計(jì)量?jī)x器、保溫層等管道附屬件；2）管道介質(zhì)；3）管道運(yùn)輸介質(zhì)時(shí),介質(zhì)振動(dòng)或沖擊對(duì)管道產(chǎn)生的荷載力；4）管道基礎(chǔ)的支撐力或管卡的約束力；5）管系之間的互相約束力等。

管道發(fā)生結(jié)構(gòu)位移,導(dǎo)致應(yīng)力集中的常見(jiàn)原因有：1）管系改造,原結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,原受力平衡被打破；2）運(yùn)行工藝或操作參數(shù)發(fā)生變化,管道承受的壓力或介質(zhì)產(chǎn)生的載荷力發(fā)生變化；3）管道基礎(chǔ)發(fā)生沉降或上升,管道的受力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而發(fā)生形變,尤其是焊縫部位是管道本體的薄弱點(diǎn)等[3]。

1.2 檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)路線

基于站場(chǎng)架空管道受力的情況及位移原因,提出如下檢驗(yàn)檢測(cè)方法,如圖1所示。

圖1 檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)路線圖

具體內(nèi)容：1）收集調(diào)研管道設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行資料,特別是存在改造維修或工藝參數(shù)發(fā)生改變的相關(guān)資料；2）參照TSG D7005—2018對(duì)管道進(jìn)行宏觀檢查,記錄現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)的位移或形變尺寸,并繪制管道單線圖；3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,采用專(zhuān)業(yè)力學(xué)分析軟件對(duì)管系進(jìn)行應(yīng)力分析,計(jì)算確定應(yīng)力集中部位；4）根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果,采用X射線衍射應(yīng)力檢測(cè)及焊縫檢測(cè)設(shè)備,對(duì)選定的部位進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果提出整改方案；5）根據(jù)整改方案,現(xiàn)場(chǎng)整改并復(fù)檢,檢驗(yàn)合格后出具報(bào)告[4]。

2 應(yīng)用實(shí)例

以某油田站場(chǎng)的1處發(fā)生位移的管系為例,進(jìn)行分析討論。

2.1 資料收集

該管道投用于2006年,規(guī)格分別為φ914 mm×26.2 mm（材質(zhì) L480）、φ711 mm×20.6 mm（材質(zhì)L415）、φ337 mm×15.9 mm（材質(zhì)L245）,介質(zhì)為天然氣,設(shè)計(jì)/運(yùn)行壓力為10/6.3 MPa,運(yùn)行溫度為常溫,該管線投用后工藝及操作參數(shù)未發(fā)生改變,且未有改造、修理及改線等行為。2020年5月,站內(nèi)工作人員發(fā)現(xiàn)管線架設(shè)區(qū)域地基沉降,進(jìn)出氣匯管及中間聯(lián)絡(luò)管線明顯上浮,局部管道已出現(xiàn)脫離支吊架的現(xiàn)象,部分現(xiàn)場(chǎng)宏觀照片見(jiàn)圖2。

圖2 管道位移現(xiàn)場(chǎng)宏觀照片

2.2 宏觀檢查及單線圖繪制

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)該管線架設(shè)區(qū)域地基下沉,管道多處發(fā)生位移現(xiàn)象,鑒于現(xiàn)場(chǎng)條件有限,無(wú)法進(jìn)行全面的測(cè)算,根據(jù)支吊處位移的痕跡推算出實(shí)際管道的位移量,現(xiàn)場(chǎng)采集的管線位移情況見(jiàn)表1。

表1 管線位移量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)管道分布情況,繪制單線圖,如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工藝管道單線圖

2.3 管系應(yīng)力分析

利用ANSYS有限元軟件,根據(jù)所調(diào)研資料進(jìn)行建模,管道直管選取PIPE16單元,彎管選用PIPE18單元,閥門(mén)采用MASS21質(zhì)量單元模擬,忽略管道焊縫以及其他附屬構(gòu)件。在常溫狀態(tài)下,管道彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,所建有限元模型如圖4所示。

圖4 位移管段有限元模型

根據(jù)該段管線的實(shí)際架設(shè)情況,對(duì)其進(jìn)行約束,并施加位移、內(nèi)壓和自重載荷,通過(guò)軟件模擬應(yīng)力分析,位移管段的應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5中可知,管線的最大應(yīng)力位置位于第5條聯(lián)絡(luò)管線與出氣管線連接處,最大值為320 MPa；在支架6位置處、第4條聯(lián)絡(luò)管線與進(jìn)氣管線連接處、第5條聯(lián)絡(luò)管線與進(jìn)氣管線連接處、第4條聯(lián)絡(luò)管線與出氣管線連接處、支架3位置處、第3條聯(lián)絡(luò)管線與進(jìn)氣管線連接處的應(yīng)力也較大,分別為 266 MPa、253 MPa、247 MPa、231 MPa、191 MPa和159 MPa,見(jiàn)表2。其中,第5條聯(lián)絡(luò)管線與出氣管線連接處、支架6位置處、第4條聯(lián)絡(luò)管線與進(jìn)氣管線連接處、第5條聯(lián)絡(luò)管線與進(jìn)氣管線連接處的應(yīng)力均超過(guò)聯(lián)絡(luò)管線管材的屈服強(qiáng)度245 MPa,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 位移管段的應(yīng)力云圖

表2 應(yīng)力分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)

2.4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、提出整改措施

使用X射線應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)理論分析發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力值較大位置選點(diǎn)進(jìn)行材料內(nèi)部真實(shí)應(yīng)力定量測(cè)試,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與應(yīng)力分析的結(jié)果基本一致,前后數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2。同時(shí)利用射線檢測(cè)的方法對(duì)管道的所有連接焊縫進(jìn)行了檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

由理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn),管線的4處應(yīng)力值均超過(guò)管材的屈服強(qiáng)度,其中最大值超過(guò)屈服強(qiáng)度33.9%,另外3處也存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,繼續(xù)運(yùn)行存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。建議在站內(nèi)停車(chē)的情況下,采取以下措施：加固管道架設(shè)區(qū)域及周邊的地基；調(diào)整或更換受損的管道支吊架,使管線內(nèi)部應(yīng)力得到釋放,重新約束管線；站場(chǎng)管理人員采取相關(guān)措施保證管道內(nèi)部介質(zhì)輸送平穩(wěn),減少振動(dòng)沖擊；待整改后對(duì)管系重新進(jìn)行應(yīng)力分析,并再次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

管道發(fā)生位移是站場(chǎng)管道常見(jiàn)的一種失效方式,且具有較高的風(fēng)險(xiǎn),使得其安全性越來(lái)越受到重視。常規(guī)的檢測(cè)方法不能有效地發(fā)現(xiàn)和排查根本隱患,采取有效的理論預(yù)分析,再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證,針對(duì)性地制定措施,可避免盲目地實(shí)施整改,在一定程度上有效地降低了工程成本。另外除了專(zhuān)業(yè)性檢測(cè),站場(chǎng)管理人員也應(yīng)從工藝方面改進(jìn),從而避免此類(lèi)隱患的發(fā)生,以及在日常運(yùn)行維護(hù)中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)對(duì)管線的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)極為重要[5]。