武 旭，帥 健 ，狄 彥，許 葵，單 克，3

(1.中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司 科技部，北京 100728； 3.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518049)①

焊接是管道穿孔局部破壞的常用修復(fù)方式[1-3]?，F(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)通常采用接管、補(bǔ)板、套管3種修復(fù)方法[4-7]。我國對(duì)于穿孔管道的焊接修復(fù)方法尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)不同焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)的承載效果尚無統(tǒng)一結(jié)論。因此，研究管道常用焊接修復(fù)方法的承載能力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，部分學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了一定研究。卜文平、帥健等通過有限元分析和水壓爆破試驗(yàn)對(duì)接管修復(fù)管道承載能力進(jìn)行了評(píng)估[8-12]。Fazzini和Otegui對(duì)補(bǔ)板修復(fù)的X52鋼級(jí)輸氣管道進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓低、缺陷大、補(bǔ)板長、焊接質(zhì)量差均會(huì)引起較高風(fēng)險(xiǎn)[13]。Smith等利用彈性力學(xué)理論分析了套管及周邊的應(yīng)力分布，得出增加套管壁厚可以減小焊縫區(qū)域的應(yīng)力水平，環(huán)向應(yīng)力隨焊縫尺寸的減小而增大，而軸向應(yīng)力不隨焊縫尺寸改變[14]。Gordon等利用有限元方法對(duì)套管修復(fù)管道的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析了管道壁厚、套管長度和厚度對(duì)管道運(yùn)行安全的影響，并給出了建議值[15]。Woo[16]等采用虛擬裂縫閉合技術(shù)，研究了含環(huán)向裂紋修復(fù)結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力響應(yīng)。

本文采用數(shù)值模擬方法，構(gòu)建打孔管道接管、補(bǔ)板和套管焊接修復(fù)的有限元模型，對(duì)修復(fù)管道在內(nèi)壓載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。比較修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、屈服壓力、極限壓力，研究修復(fù)結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)對(duì)修復(fù)管道承載能力的影響，得到較優(yōu)的修復(fù)方法和修復(fù)結(jié)構(gòu)的最佳尺寸。

1 有限元分析方法及模型

1.1 材料模型

管道與修復(fù)材料均采用X65管材，采用Ramberg-Osgood(R-O)本構(gòu)模型表示材料的應(yīng)力與應(yīng)變的響應(yīng)。

(1)

式中：E為彈性模量；ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力，σs為屈服應(yīng)力；α為硬化系數(shù)；n為硬化指數(shù)。

采用傳統(tǒng)單軸試驗(yàn)對(duì)管材的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，再利用R-O材料模型擬合出管材的應(yīng)力應(yīng)變曲線(如圖1)。管材的力學(xué)性能如表1。

圖1 管道R-O模型應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

取管道直徑720 mm、壁厚9.2 mm。因管道結(jié)構(gòu)沿軸向與環(huán)向?qū)ΨQ，故建立1/4幾何模型。由于修復(fù)結(jié)構(gòu)和管道打孔處均存在一定程度的應(yīng)力集中，因而采用SOLID90單元對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)加密劃分，而管體其余部位網(wǎng)格適當(dāng)加大，以達(dá)到在保證精度的前提下，優(yōu)化模型、加速計(jì)算的目的。模型加載上對(duì)修復(fù)結(jié)構(gòu)分步施加內(nèi)壓，最大內(nèi)壓為15 MPa。為了避免模擬過程中產(chǎn)生剛體位移，確保模擬的有效性，在模型的對(duì)稱面施加位移約束。

2 應(yīng)力分布分析

2.1 接管修復(fù)結(jié)構(gòu)

為研究接管修復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與內(nèi)壓的關(guān)系，分別沿修復(fù)結(jié)構(gòu)的軸向與環(huán)向設(shè)置2條關(guān)鍵線(如圖2)。當(dāng)內(nèi)壓分別為4.0、8.80、11.20、12.96 MPa時(shí)，2條關(guān)鍵線上各點(diǎn)應(yīng)力如圖3所示。

圖2 接管模型研究路徑

a 路徑1

b 路徑2

由圖3可知，接管內(nèi)部的等效應(yīng)力分布不均，接管之外，隨著與孔口距離的擴(kuò)大，管體等效應(yīng)力逐漸呈均勻分布。穿孔邊緣處、接管與管道連接處的應(yīng)力相對(duì)較高，存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

8.8 MPa內(nèi)壓水平下接管修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4。接管與管道連接位置應(yīng)力分布不均，最大等效應(yīng)力位于該處，管體上其余部位應(yīng)力分布均勻，接管的應(yīng)力狀態(tài)明顯小于管體的應(yīng)力狀態(tài)。隨著內(nèi)壓增加，連接處最先達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，進(jìn)入局部屈服狀態(tài)，但因?yàn)榫植堪l(fā)生屈服時(shí)，管體整體應(yīng)力水平不高，整體未發(fā)生變形。隨著內(nèi)壓的提升，整個(gè)修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)加大，達(dá)到整體屈服狀態(tài)，此時(shí)的修復(fù)結(jié)構(gòu)整體變形較大。管體達(dá)到拉伸強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓即為極限內(nèi)力。

圖4 壓力8.8 MPa對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力云圖

管道的壓力與等效應(yīng)力關(guān)系如圖5，管道的屈服內(nèi)壓為8.8 MPa，極限內(nèi)壓為12.96 MPa。

圖5 接管修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服內(nèi)壓

2.2 補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)

為研究補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與內(nèi)壓的關(guān)系，分別沿修復(fù)結(jié)構(gòu)的軸向與環(huán)向設(shè)置2條關(guān)鍵線(如圖6)。內(nèi)壓載荷選取與接管修復(fù)結(jié)構(gòu)相同，得到關(guān)鍵線上各點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖7。

圖6 補(bǔ)板模型研究路徑

由圖7可知，補(bǔ)板內(nèi)沿軸向與環(huán)向的等效應(yīng)力散布不均，應(yīng)力最大點(diǎn)位于穿孔邊緣；沿管道軸向補(bǔ)板內(nèi)外管道的應(yīng)力相差不大，沿管道環(huán)向補(bǔ)板內(nèi)外管道的應(yīng)力相差較大。2條關(guān)鍵線上各點(diǎn)的等效應(yīng)力隨著與孔口距離的擴(kuò)大，逐漸呈均勻分布。

b 路徑2

當(dāng)內(nèi)壓為11.2 MPa時(shí)，管體等效應(yīng)力如圖8所示。距補(bǔ)板0.65 m、補(bǔ)板與修復(fù)管道接觸的45°至90°區(qū)域應(yīng)力較高，選取該范圍內(nèi)的點(diǎn)作為確定補(bǔ)板修復(fù)管道極限載荷的研究對(duì)象。補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壓與等效應(yīng)力關(guān)系如圖9所示，補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服內(nèi)壓為10.04 MPa。

圖8 壓力11.2 MPa對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力云圖

圖9 補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服內(nèi)壓

2.3 套管修復(fù)結(jié)構(gòu)

套管修復(fù)結(jié)構(gòu)分為管道上存在穿孔和缺陷2種情況。套管壁厚與管道壁厚相同，套管的長度比穿孔或缺陷的長度大100 mm。套管修復(fù)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖10。當(dāng)修復(fù)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，管體等效應(yīng)力云圖如圖11所示，與修復(fù)穿孔管道相比，套管修復(fù)缺陷管道時(shí)，套管所受等效應(yīng)力明顯較小。當(dāng)修復(fù)結(jié)構(gòu)管體的等效應(yīng)力達(dá)到材料的屈服應(yīng)力(380 MPa)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的管體內(nèi)壓作為修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服壓力。

a 管道穿孔

b 管道缺陷

a 管道穿孔

b 管道缺陷

a 穿孔模型

b 缺陷模型

套管修復(fù)結(jié)構(gòu)第1個(gè)達(dá)到屈服應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力隨內(nèi)壓變化關(guān)系如圖12所示。在此條件下，穿孔修復(fù)模型和缺陷修復(fù)模型的屈服壓力分別為11.0、11.32 MPa。因此，在同等條件下，套管修復(fù)結(jié)構(gòu)修復(fù)缺陷的效果要比修復(fù)穿孔的好。

3 修復(fù)結(jié)構(gòu)尺寸影響分析

3.1 接管修復(fù)結(jié)構(gòu)

為研究幾何效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)修復(fù)效果的影響，保持管體和穿孔的幾何尺寸不變，模擬接管壁厚為9.2 mm，修復(fù)結(jié)構(gòu)的外徑取160、210、260、310 mm；取接管外徑為250 mm，壁厚7.2、9.2、11.2、13.2 mm，分別進(jìn)行模擬。

接管修復(fù)模型改變參數(shù)后所計(jì)算得出的屈服和極限壓力如表2。對(duì)比分析數(shù)據(jù)可知，在一定范圍內(nèi)改變接管直徑不會(huì)影響修復(fù)結(jié)構(gòu)的極限壓力；在接管壁厚確定的條件下，修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服壓力隨接管直徑的減小而逐漸增大。因此，對(duì)于接管修復(fù)結(jié)構(gòu)，一定范圍內(nèi)接管直徑越小，結(jié)構(gòu)的承載能力越強(qiáng)。當(dāng)接管的直徑保持一定，修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服壓力隨著接管厚度的增加而增大，即承載能力越強(qiáng)，而極限壓力受接管厚度影響較小。所以在確定接管壁厚時(shí)，應(yīng)讓其與原始管道相同。

表2 變參數(shù)接管模型的極限載荷與屈服應(yīng)力

3.2 補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)

為研究補(bǔ)板尺寸對(duì)修復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力的影響，保持管道尺寸和穿孔尺寸一定，分別模擬補(bǔ)板的厚度為9.2 mm時(shí)，補(bǔ)板邊長為50、80、100、130 mm；以及補(bǔ)板邊長為100 mm時(shí)，補(bǔ)板壁厚壁厚分別取7.2、9.2、11.2、13.2 mm。模擬得到內(nèi)壓載荷為11.2 MPa時(shí)，補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。

表3為4種補(bǔ)板邊長與4種補(bǔ)板壁厚下模型的屈服與極限壓力。當(dāng)補(bǔ)板的厚度恒定時(shí)，補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)的承壓能力隨補(bǔ)板邊長的增大而逐漸減?。划?dāng)補(bǔ)板邊長恒定時(shí)，補(bǔ)板的厚度越大，補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)的的承壓能力越好；兩者相比，補(bǔ)板邊長對(duì)承載能力的影響高于補(bǔ)板壁厚對(duì)承載能力的影響；補(bǔ)板邊長和壁厚對(duì)修復(fù)結(jié)構(gòu)的極限壓力沒有太大影響。因此，選擇補(bǔ)板的幾何特征時(shí)，補(bǔ)板長度應(yīng)選取較小的尺寸，補(bǔ)板厚度應(yīng)與原始管道相同。

表3 變參數(shù)補(bǔ)板修復(fù)方法的屈服壓力與極限壓力

3.3 套管修復(fù)結(jié)構(gòu)

套管的幾何尺寸對(duì)修復(fù)效果有重要影響，套管太大在實(shí)際工程應(yīng)用中不易安裝，套管太小則無法達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)于套管修復(fù)穿孔和缺陷2種情況，分別模擬套管厚度固定為9.2 mm，套管長度為80、130、200和300 mm；以及套管邊長等于200 mm，套管壁厚為7.2、9.2、11.2、13.2 mm 4種情況。

表4為套管修復(fù)穿孔和修復(fù)缺陷時(shí)，改變套管長度和厚度所得到的屈服承壓能力。在同等厚度條件下，套管的長度對(duì)修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服壓力影響不大；采用套管修復(fù)穿孔時(shí)，在同等長度條件下，修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服壓力隨套管的壁厚增加而提升；采用套管修復(fù)缺陷時(shí)，在同等長度條件下，修復(fù)結(jié)構(gòu)的屈服壓力不隨套管壁厚而改變。

表4 變參數(shù)套管模型的屈服應(yīng)力

4 結(jié)論

1) 3種常用焊接修復(fù)構(gòu)件均具有高應(yīng)力區(qū)，對(duì)構(gòu)件的屈服應(yīng)力有一定的影響，而對(duì)構(gòu)件的極限承壓影響較小，所以應(yīng)采用屈服應(yīng)力評(píng)估焊接構(gòu)件的承載效果。

2) 3種焊接修復(fù)方法中，采用套管修復(fù)方法后的構(gòu)件承載效果最好；采用補(bǔ)板修復(fù)構(gòu)件的承載效果次之；采用接管修復(fù)構(gòu)件的承載效果最差。一定條件下，套管的幾何尺寸對(duì)構(gòu)件承載效果影響較??；補(bǔ)板的幾何尺寸越小，構(gòu)件的承載效果越好，補(bǔ)板的厚度不應(yīng)小于原結(jié)構(gòu)的厚度；接管的直徑越小、厚度越大，構(gòu)件的承載效果越好。