賴少川，張 平，何勇君，王 垚

(1.中國(guó)石化銷售有限公司 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)

石油天然氣管道在運(yùn)行過(guò)程中，由于敷設(shè)條件、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等原因，會(huì)在管道底部發(fā)生巖石擠壓變形，往往工程上只關(guān)心和處理管道底部的擠壓位置，忽略擠壓管段頂部的受力情況，如果擠壓管段頂部的應(yīng)力超過(guò)管材的抗拉強(qiáng)度，管道仍會(huì)出現(xiàn)裂紋、發(fā)生破裂失效，引發(fā)泄漏事故[1-3]。因此，準(zhǔn)確掌握巖石擠壓管段頂部的應(yīng)力狀態(tài)同樣十分必要，便于評(píng)估管段整體的健康狀態(tài)，及時(shí)采取應(yīng)急措施。

在國(guó)內(nèi)，蔣宏業(yè)等[4]針對(duì)采空塌陷引起的管道變形進(jìn)行了受力分析，最大Mises應(yīng)力和最大豎向應(yīng)變位置位于塌陷區(qū)內(nèi)邊緣且靠近塌陷區(qū)中間，最大軸向應(yīng)力和最大軸向應(yīng)變位置在塌陷區(qū)中間兩側(cè)；林森等[5]為了得到海底管道由于海床崎嶇所產(chǎn)生的變形和應(yīng)力狀態(tài)，采用有限元法驗(yàn)證了不同張力條件下海底凹陷和隆起地形對(duì)管道應(yīng)力的影響。在國(guó)外，Jeng DS等[6]研究了波浪荷載作用下埋地管道的應(yīng)力與變形，計(jì)算表明管內(nèi)角向有效應(yīng)力和剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于波浪引起的孔隙壓力；Mirzaee-Sisan A等[7]對(duì)環(huán)焊縫發(fā)生塑性變形的殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量和有限元對(duì)比分析，結(jié)果表明有限元模型可以預(yù)測(cè)焊縫變形的殘余應(yīng)力分布，但是在厚度方面與測(cè)量值存在一些差異。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓力管道變形部位應(yīng)力狀態(tài)的研究主要通過(guò)兩種技術(shù)手段：一是仿真模擬[8-10]，二是應(yīng)變間接測(cè)試[11]；并且對(duì)于巖石擠壓變形管道的應(yīng)力分布狀況還沒(méi)有開展相關(guān)研究。因此采用最先進(jìn)的X射線應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，直接獲取巖石擠壓段的各個(gè)應(yīng)力值，了解其分布規(guī)律，可以為管道的安全評(píng)估和失效預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 擠壓段基本情況

某成品油長(zhǎng)輸管道，規(guī)格為Φ323.9×6.4 mm，3PE+環(huán)氧粉末防腐層，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，運(yùn)行壓力4.6 MPa，材質(zhì)為L(zhǎng)360。由于巖石擠壓在管道底部出現(xiàn)凹陷變形，經(jīng)內(nèi)變形檢測(cè)器檢測(cè)，凹陷絕對(duì)深度為41.4 mm，相對(duì)變形深度為12.8%，軸向長(zhǎng)度242 mm,環(huán)向長(zhǎng)度206 mm，凹陷類型為平滑型，如圖1所示。

圖1 巖石擠壓管段

2 應(yīng)力檢測(cè)

2.1 檢測(cè)原理

利用X射線應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)原理基于X射線衍射理論[12]，該方法是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力最先進(jìn)、最直接和最可靠的方法。X射線衍射現(xiàn)象：當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)λ的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度2θ范圍內(nèi)接收到反射的X射線強(qiáng)度極大值，即衍射峰。X射線的波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間滿足布拉格定律：

2dsinθ=nλ(n=1,2,3……)

(1)

在已知X射線波長(zhǎng)λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測(cè)量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。當(dāng)材料中應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會(huì)相應(yīng)改變。因此，可以通過(guò)測(cè)量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來(lái)求應(yīng)力σ。

2.2 檢測(cè)步驟

選取凹陷管段頂部的5個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，如圖2所示。其中位置1和位置5對(duì)應(yīng)凹陷邊緣位置，位置3對(duì)應(yīng)凹陷底部，位置2和位置4對(duì)應(yīng)凹陷底部與邊緣的中間位置；5個(gè)測(cè)試位置等距離分布，相鄰兩個(gè)位置間距60 m。

圖2 應(yīng)力測(cè)試位置示意圖

用角磨機(jī)和鋼絲輪去除凹陷部位的3PE+環(huán)氧粉末防腐層，露出金屬本體，然后用不同粒度的百葉輪、砂紙多次打磨，得到光滑、平整、干凈的測(cè)試面；將打好圓孔的絕緣膠紙粘貼在打磨好的測(cè)點(diǎn)表面，使測(cè)試點(diǎn)為位于圓孔中心，保證電解液可以覆蓋拋光點(diǎn)所在圓孔的整體，且不會(huì)從其他圓孔或其他部位與測(cè)試管道接觸，然后利用電解拋光儀對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電解拋光，當(dāng)肉眼觀察表面由打磨的光亮面變成較暗的腐蝕形貌并且不見(jiàn)打磨造成的劃痕，停止電解拋光；然后，將表面擦拭干凈，利用X射線應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行軸向和環(huán)向兩個(gè)方向的應(yīng)力測(cè)試；為更好地反應(yīng)某一點(diǎn)整體應(yīng)力狀態(tài)，引入Mises等效應(yīng)力σMises作為評(píng)價(jià)依據(jù)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，σz和σh為測(cè)得的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。

為了對(duì)比研究，將擠壓巖石移除，使管道充分卸載，按上步驟再次測(cè)試凹陷部位應(yīng)力。

3 應(yīng)力響應(yīng)

為了方便分析，以測(cè)試位置3為零點(diǎn)，以管道軸向?yàn)樽鴺?biāo)軸，因此位置1坐標(biāo)為-120 mm，位置2坐標(biāo)為-60 mm，位置4坐標(biāo)為60 mm，位置5坐標(biāo)為120 mm。移除巖石前后軸向應(yīng)力值見(jiàn)表1，移除巖石前后軸向應(yīng)力對(duì)比曲線見(jiàn)圖3。從表1和圖3可以看出，該巖石擠壓管道頂部的軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力(正值)，最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在凹陷底部對(duì)應(yīng)位置，移除巖石前為302.9 MPa，移除巖石后為225.4 MPa；凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置軸向應(yīng)力次之，移除巖石前為260 MPa左右，移除巖石后為220 MPa左右；底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置軸向應(yīng)力較小，移除巖石前位置2和位置4的應(yīng)力分別為221.6 MPa和236.7 MPa，移除巖石后位置2和位置4的應(yīng)力為165.9 MPa和176 MPa；巖石移除后的軸向應(yīng)力明顯小于巖石移除前的軸向應(yīng)力，減小大約40～80 MPa左右，其中凹陷底部對(duì)應(yīng)位置減小值最大，為77.5 MPa，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置減小值較小，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置減小值次之。

圖3 移除巖石前后軸向應(yīng)力對(duì)比曲線

移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力值見(jiàn)表2，移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力對(duì)比曲線見(jiàn)圖4。從表2和圖2可以發(fā)現(xiàn)，移除巖石前后，擠壓管道頂部的環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力(負(fù)值)，與同位置的軸向應(yīng)力相比，數(shù)值較?。话枷莸撞繉?duì)應(yīng)位置環(huán)向應(yīng)力最小，巖石移除前為-32.3 MPa，巖石除后為-26.6 MPa；底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置環(huán)向應(yīng)力次之，巖石移除前為-50 MPa左右，巖石移除后為-30 MPa左右；凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置環(huán)向應(yīng)力相對(duì)較大，巖石移除前位置1和位置5的環(huán)向應(yīng)力為-65.5 MPa和-82 MPa，巖石移除后位置1和位置5的環(huán)向應(yīng)力為-39.3 MPa和-58.1 MPa；巖石移除后的環(huán)向應(yīng)力也小于巖石移除前的環(huán)向應(yīng)力，但環(huán)向應(yīng)力減小值曲線與軸向應(yīng)力減小值曲線相反，其中凹陷底部對(duì)應(yīng)位置減小值最小，僅5.7 MPa，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置減小值次之，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置減小值較大，最多減小26.2 MPa。

表2 移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力值

圖4 移除巖石前后環(huán)向應(yīng)力對(duì)比曲線

移除巖石前后Mises等效應(yīng)力值見(jiàn)表3，移除巖石前后Mises等效應(yīng)力對(duì)比曲線見(jiàn)圖5。從表3和圖5中可以看出，移除巖石前后，擠壓管段頂部的Mises等效應(yīng)力與軸向應(yīng)力在管道軸向的分布趨勢(shì)基本一致，凹陷底部、凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置Mises等效較大，這是因?yàn)檩S向應(yīng)力值較大，在合成Mises等效應(yīng)力時(shí)其主要作用；巖石移除前，凹陷底部對(duì)應(yīng)位置的Mises等效應(yīng)力最大，為320.3 MPa，巖石移除后，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置5的Mises等效應(yīng)力最大，為250.6 MPa；同樣，Mises等效應(yīng)力減小值曲線與軸向應(yīng)力減小值曲線也類似，但相對(duì)平緩，減小值為60～80 MPa，凹陷底部對(duì)應(yīng)位置減小值最大，為80.5 MPa，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置減小值次之，為70 MPa左右，凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置減小值較小，大約為60 MPa左右。

圖5 移除巖石前后Mises等效應(yīng)力對(duì)比曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比移除巖石前后擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力以及Mises等效應(yīng)力，可以得到以下結(jié)論：

1)巖石擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力為壓應(yīng)力，相同位置的軸向應(yīng)力值大于環(huán)向應(yīng)力值；

2)無(wú)論是否移除巖石，擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力和Mises等效應(yīng)力在管道軸向呈“W”狀分布，凹陷底部、凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力值較大，底部和邊緣中間的對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力值較?。画h(huán)向應(yīng)力在管道軸向呈“V”狀分布，從凹陷底部對(duì)應(yīng)位置到凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置逐漸增大；

3)移除巖石后，擠壓管段頂部的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力以及Mises等效應(yīng)力均有不同程度減小，其中軸向應(yīng)力和Mises等效應(yīng)力減小值曲線呈“倒V”狀，從凹陷底部對(duì)應(yīng)位置到凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置逐漸變??；而環(huán)向應(yīng)力減小值曲線則呈“V”狀，從凹陷底部對(duì)應(yīng)位置到凹陷邊緣對(duì)應(yīng)位置逐漸增大。