何勇君， 張 平， 熊道英， 王 垚， 馬昕昕， 張玉乾

(1.中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司 華南分公司， 廣州 510000； 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029)

凹陷的存在會(huì)影響油氣管道的運(yùn)行安全[1]，水壓爆破實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行管道完整性評(píng)價(jià)研究[2]的一種重要手段，尤其是針對(duì)含缺陷管段的評(píng)價(jià)。在國(guó)內(nèi)，閆峰等[3]通過(guò)對(duì)含缺陷管道全尺寸實(shí)驗(yàn)，分析了高壓對(duì)管道塑性變形以及管道承壓能力逆轉(zhuǎn)的影響；田曉等[4]擬合得到爆破壓力預(yù)測(cè)公式，隨著凹陷深度增加最大應(yīng)變位置會(huì)遠(yuǎn)離凹陷中心。在國(guó)外，Zarea M等學(xué)者[5-6]在爆破試驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)管道韌性影響著凹陷處裂紋的擴(kuò)展情況，從而影響著管道失效壓力；Blachut等[7]對(duì)屈曲失穩(wěn)的含劃傷凹陷管道進(jìn)行爆破試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管道爆破壓力并未明顯降低。

國(guó)內(nèi)外大部分研究針對(duì)含凹陷管道的承載能力，而對(duì)凹陷以及附近區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)情況研究較少[8-11]。因此，將通過(guò)水壓爆破實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析凹陷管道的應(yīng)變規(guī)律以及失效機(jī)理，為管道完整性管理提供參考與決策。

1 實(shí)驗(yàn)試樣

實(shí)驗(yàn)試樣來(lái)自某成品油管道現(xiàn)場(chǎng)替換下來(lái)的管段，長(zhǎng)度為3 mm，材質(zhì)為X60，規(guī)格為406.4×9.53 mm。將管段中間1 m范圍的防腐層去除，露出金屬光澤。在管段兩端采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭焊接成封閉容器，封頭與管道連接的環(huán)焊縫按照NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行100%射線(xiàn)和超聲檢測(cè)，保證其沒(méi)有超標(biāo)缺陷。試樣其中一端封頭中心焊接打壓接頭，另一端距離封頭環(huán)焊縫300 mm處設(shè)置排氣孔。采用直徑100 mm球面壓頭，在實(shí)驗(yàn)試樣1.5 m處壓制凹陷，絕對(duì)深度為24.4 mm，相對(duì)深度為6%OD(其中OD為管道外徑)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)試樣具體信息見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)試樣信息

2 爆破實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

在凹陷附近位置布置應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)爆破實(shí)驗(yàn)過(guò)程中凹陷外壁的應(yīng)變響應(yīng)情況，如圖1所示。位置1～位置9沿管道軸向分布，相鄰兩個(gè)位置間距為50 mm，其中位置1位于凹陷中心，位置3位于凹陷變形邊緣。每個(gè)位置的應(yīng)變傳感器均監(jiān)測(cè)環(huán)向和軸向兩個(gè)方向，位置1所布應(yīng)變傳感器有效量程為50 000 με，其余位置所布應(yīng)變傳感器有效量程為20 000 με(后期數(shù)據(jù)處理，摒棄超過(guò)量程應(yīng)變數(shù)據(jù))。

圖1 應(yīng)變傳感器布置位置

實(shí)驗(yàn)采用250 MPa打壓爆破系統(tǒng)進(jìn)行加壓，介質(zhì)為純凈水，壓力采用量程60 MPa、精密0.4級(jí)的高精度壓力表進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)水量采用精度為0.25%、分辨率為0.1 mL的質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行采集。

首先，向?qū)嶒?yàn)管段內(nèi)充滿(mǎn)純凈水，充滿(mǎn)后密封封堵，利用打壓爆破系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行幾次打壓，充分排出管段內(nèi)的殘余空氣，同時(shí)查看并校對(duì)應(yīng)變傳感器，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和和有效性。然后，開(kāi)始逐級(jí)加壓，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括壓力采集系統(tǒng)、進(jìn)水量采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)，采樣頻率為10 Hz，直到實(shí)驗(yàn)管段發(fā)生破裂為止。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水壓爆破實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集的壓力-進(jìn)水量曲線(xiàn)如圖2所示?？梢钥吹?，在試樣屈服之前，壓力隨著進(jìn)水量基本按線(xiàn)性關(guān)系增加；當(dāng)試樣開(kāi)始屈服時(shí)，壓力增量逐漸減小，壓力變化速率也逐漸變緩；此后，試樣發(fā)生屈服變形，壓力在一段時(shí)間內(nèi)基本保持平穩(wěn)，不再隨進(jìn)水量的增加而發(fā)生明顯變化，直至管段爆破。由此，得到試樣的屈服壓力為34.2 MPa，爆破壓力為36.8 MPa，絕對(duì)進(jìn)水量為31.39 L，相對(duì)進(jìn)水量為8.38%。

圖2 爆破實(shí)驗(yàn)壓力-進(jìn)水量曲線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)管段爆裂位置為直焊縫處，與凹陷軸向距離約280 mm，環(huán)向角度為140°，裂口長(zhǎng)度為830 mm,破裂方式為沿著焊縫縱向撕裂，如圖3所示。而凹陷部位發(fā)生明顯回彈，回彈后凹絕對(duì)陷深度為9.3 mm，相對(duì)深度為2.3%OD。由此，可以說(shuō)明由直徑100 mm的球形壓頭壓制的、6%OD深度的凹陷并不影響管道的承載能力。

圖3 爆破裂口

2.3 應(yīng)變響應(yīng)

在水壓爆破實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所監(jiān)測(cè)位置的環(huán)向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖4所示。從圖中可以看到位置2和位置3的環(huán)向應(yīng)變?cè)诩訅哼^(guò)程中迅速增大，這是因?yàn)槲恢?和位置3是加壓過(guò)程的最快發(fā)生形變的位置；凹陷中心的環(huán)向應(yīng)變變化也比較大，但是開(kāi)始增大的時(shí)間晚于受凹陷影響的其他位置，原因是凹陷中心的變形雖大，但在加壓反彈過(guò)程，該位置卻排在最后；距離凹陷中心150 mm的位置4的環(huán)向應(yīng)變?nèi)允馨枷萦绊懀湓黾铀俣热源笥谶h(yuǎn)離凹陷的區(qū)域；距離凹陷中心超過(guò)200 mm的區(qū)域，環(huán)向應(yīng)變變化與凹陷無(wú)關(guān)。

圖4 環(huán)向應(yīng)變響應(yīng)情況

所監(jiān)測(cè)位置的軸向應(yīng)變響應(yīng)情況如圖5所示。從圖中可以看到，凹陷中心處的軸向應(yīng)變?cè)诩訅哼^(guò)程中先為壓應(yīng)變，最后變成拉應(yīng)變；而處于凹陷邊緣與凹陷中心中間的位置2，其軸向應(yīng)變?cè)诩訅哼^(guò)程中先為拉應(yīng)變，后為壓應(yīng)變；位置3處于凹陷邊緣，軸向應(yīng)變始終為壓應(yīng)變，因?yàn)樽冃未蠛蛢?yōu)先反彈，所以變化速率最快；距離凹陷中心150 mm的位置4的軸向應(yīng)變?nèi)允馨枷萦绊懀冀K為壓應(yīng)變，變化速率較慢；距離凹陷中心超過(guò)200 mm的區(qū)域，軸向應(yīng)變幾乎與凹陷無(wú)關(guān)。

圖5 軸向應(yīng)變響應(yīng)情況

3 結(jié)論

通過(guò)以上全尺寸水壓爆破實(shí)驗(yàn)以及應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1)由直徑100 mm的球形壓頭壓制的、6%OD深度的凹陷不影響管道的承載能力，試樣管道爆破方式為直焊縫撕裂，屈服壓力為34.2 MPa，爆破壓力為36.8 MPa；

2)凹陷中心的反彈效率明顯低于凹陷其他位置，距離凹陷中心軸向超過(guò)200 mm區(qū)域，環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變響應(yīng)與凹陷無(wú)關(guān)；

3)凹陷加壓反彈過(guò)程，所監(jiān)測(cè)位置的環(huán)向均為拉應(yīng)變，而凹陷中心的軸向先受壓后受拉，凹陷邊緣與凹陷中心的中間位置的軸向先受拉后受壓，凹陷邊緣以及邊緣以外受凹陷影響區(qū)域的軸向則始終受壓。