玻璃纖維復(fù)合材料用于干線管道整體加強(qiáng)適用性分析

孫傳青(中石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東濟(jì)南250101)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展及對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，天然氣作為一種清潔能源，其用量逐年增加[1]。干線管道在建設(shè)初期會(huì)根據(jù)沿線居民戶數(shù)和(或)建筑物的密集程度劃分為四個(gè)地區(qū)等級(jí)，管道設(shè)計(jì)單位會(huì)根據(jù)不同的地區(qū)等級(jí)設(shè)計(jì)不同的壁厚，通過壁厚來規(guī)定不同地區(qū)等級(jí)的管道安全裕量。隨著城市建設(shè)的不斷加快，管道周邊建筑及人員密集程度逐漸發(fā)生變化，原本屬于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的管道逐漸發(fā)展為高后果，地區(qū)等級(jí)也相應(yīng)提高，但是管道仍然是建設(shè)初期的管道，其壁厚、管徑、承壓能力等參數(shù)不會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)管道所面臨的問題主要是隨著地區(qū)等級(jí)的提高其安全裕量不足。

干線管道一般遠(yuǎn)離城市鋪設(shè)，但隨著城市發(fā)展擴(kuò)大，距離管道越來越近，因此管道地區(qū)等級(jí)也在不斷變化，一旦位于高后果區(qū)的管道發(fā)生失效，其后果不堪設(shè)想。本文以玻璃纖維復(fù)合材料作為研究對(duì)象，通過對(duì)靜水壓測(cè)試及對(duì)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，定量分析玻璃纖維復(fù)合材料用于整體管段加強(qiáng)的實(shí)際作用效果，為管道提高安全裕量、提升高后果區(qū)治理水平提供指導(dǎo)性建議。

1 整體管段玻璃纖維復(fù)合材料加固試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)思路

通過對(duì)完整管道不同位置進(jìn)行玻璃纖維復(fù)材補(bǔ)強(qiáng)(修復(fù)I處為按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72升級(jí)到0.60并根據(jù)ASME PCC-2計(jì)算的修復(fù)層數(shù)，修復(fù)II處為修復(fù)I處一半層數(shù))，然后進(jìn)行一系列壓力測(cè)試，獲取不同位置處環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)分別對(duì)未補(bǔ)強(qiáng)處，復(fù)材修復(fù)II處，復(fù)材修復(fù)I處的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。最終完成玻璃纖維復(fù)材用于提高管道安全系數(shù)做出驗(yàn)證。

1.2 試驗(yàn)過程

靜水壓試驗(yàn)裝置由金屬試驗(yàn)管、水壓泵、高壓管、監(jiān)控系統(tǒng)及電阻應(yīng)變計(jì)組成，試驗(yàn)管由鋼管、標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭及進(jìn)出水口組成，試件管長(zhǎng)1m，管徑219mm，管壁厚6mm，材質(zhì)L245。如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片布置圖

試驗(yàn)采取逐級(jí)加載法，每級(jí)加載增量為1MPa直至試驗(yàn)管爆破，試驗(yàn)過程中采集各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示在29MPa內(nèi)壓下，修復(fù)II處復(fù)材修復(fù)厚度只有按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的一半，因此內(nèi)壓已達(dá)到修復(fù)復(fù)材應(yīng)變極限，復(fù)材料兩端邊緣出現(xiàn)破壞；修復(fù)I處復(fù)材修復(fù)層數(shù)有合理的安全余量，修復(fù)處復(fù)材接近破壞階段但未發(fā)生破壞，管道進(jìn)水口焊縫位置因管道發(fā)生明顯屈服膨脹而破壞。如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)管爆破圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 基于兩處修復(fù)點(diǎn)及管道參考點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比分析

圖3 內(nèi)壓-環(huán)向應(yīng)變曲線

試驗(yàn)管件破壞分為兩個(gè)階段：第Ⅰ階段為線性階段，區(qū)間為0～24MPa。第Ⅱ階段為非線性階段，區(qū)間為26～29MPa。在第Ⅰ階段中，隨著內(nèi)壓的增加，復(fù)材修復(fù)I處、復(fù)材修復(fù)II處、管道參考點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變呈線性增加，環(huán)向應(yīng)變變化值幾乎一致，在第Ⅰ階段管道的環(huán)向應(yīng)變情況與管道是否補(bǔ)強(qiáng)無關(guān)。即此階段管道是完整管道為主要承力結(jié)構(gòu)，復(fù)材修復(fù)有部分分擔(dān)。

在第Ⅱ階段中，根據(jù)力學(xué)理論分析可以得出，管道參考點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入屈服階段，并且接近極限應(yīng)變值。修復(fù)II處的管道雖然也處于屈服階段，但是相較于參考點(diǎn)管道能夠延緩達(dá)到極限應(yīng)變的內(nèi)壓值，使復(fù)材修復(fù)II處補(bǔ)強(qiáng)位置的管道能夠承擔(dān)更大的內(nèi)壓值達(dá)到極限應(yīng)變。復(fù)材修復(fù)I處的管道，其環(huán)向應(yīng)變相對(duì)于隨內(nèi)壓增大的程度最小，當(dāng)內(nèi)壓為27MPa時(shí)，參考點(diǎn)和復(fù)材修復(fù)II處的管道已經(jīng)進(jìn)入屈服，復(fù)材修復(fù)I處補(bǔ)強(qiáng)位置的管道剛開始進(jìn)入塑性階段，對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變分別為7038.5με，4077με和1643.5με，以參考點(diǎn)應(yīng)變值作參考，復(fù)材修復(fù)II處補(bǔ)強(qiáng)位置管道環(huán)向應(yīng)變?yōu)閰⒖键c(diǎn)環(huán)向應(yīng)變值的57.93%，復(fù)材修復(fù)I處管道環(huán)向應(yīng)變?yōu)閰⒖键c(diǎn)環(huán)向應(yīng)變值的23.35%。

由圖3分析可知：(1)試驗(yàn)管件隨著內(nèi)壓增加表現(xiàn)為管道膨脹變形，由于試驗(yàn)管件局部采用了玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行加強(qiáng)處理，加強(qiáng)區(qū)域變形量明顯低于未加強(qiáng)區(qū)域，玻璃纖維復(fù)合材料可有效抑制管道地塑性變形。(2)通過修復(fù)I處和修復(fù)II處復(fù)合材料應(yīng)變數(shù)據(jù)分析可知：復(fù)合材料加強(qiáng)的層數(shù)越多，越有利于減緩管道環(huán)向應(yīng)變的增加。

1.3.2 基于TES法判定分析

試驗(yàn)選取升級(jí)系數(shù)最大的一級(jí)地區(qū)升為二級(jí)地區(qū)進(jìn)行分析，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72升級(jí)到0.60，由于復(fù)合材料與鋼管彈性模量的差異，基于材料彈性屬性的設(shè)計(jì)方法不再適用。需要采用基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，即“極限設(shè)計(jì)”。極限設(shè)計(jì)可以通過實(shí)測(cè)應(yīng)變結(jié)果得到，也可以在一些假設(shè)下推導(dǎo)出可用的解析公式。

假設(shè)允許完好管道在內(nèi)壓下屈服，而采用TES(二倍彈性斜率法)決定它的極限荷載。

管材屈服前，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

式中：Es為管材彈性模量；σs和εs分別為試驗(yàn)管材的應(yīng)力和應(yīng)變。

將管材屈服后的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合為：

將式(1)、(2)代入Balow公式，可知管道中，載荷—內(nèi)壓P與環(huán)向應(yīng)變的關(guān)系，試驗(yàn)管材環(huán)向應(yīng)變?nèi)匀挥忙舠表示：

管壁屈服前：

管壁屈服后：

圖4 TES示意圖

在圖4中，式(3)對(duì)應(yīng)直線段AB，式(4)對(duì)應(yīng)曲線BC，直線AC的方程是：

注意式(5)中的P不是真實(shí)壓力，只是εs-P關(guān)系中的坐標(biāo)。可見式(5)是直接由式(3)擴(kuò)大為兩倍斜率得到。

聯(lián)立式(4)和式(5)，可以解得εmax和PTES，為：

本試驗(yàn)中管徑直徑為219mm，壁厚6mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)屈服應(yīng)變對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓為24MPa，極限應(yīng)變對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓為27MPa，通過公式σ環(huán)=PD/2T求得屈服應(yīng)力為438MPa和抗拉強(qiáng)度492.75MPa，進(jìn)而擬合出來公式(2)中的k=5.5168e+08和N=0.0332，所以公式(2)為：

按式(6)得出εmax為5516με已知由于地區(qū)升級(jí)，產(chǎn)生的壓強(qiáng)差為2.88MPa，在應(yīng)變值為2376με時(shí)，未補(bǔ)強(qiáng)管道對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓值為26MPa，復(fù)材修復(fù)II處補(bǔ)強(qiáng)位置管道對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓值為26.5MPa，復(fù)材修復(fù)I處補(bǔ)強(qiáng)位置管道對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓值為29MPa。

由以上分析可知：

(1)復(fù)材修復(fù)II處(按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算修復(fù)層數(shù)的一半)補(bǔ)強(qiáng)位置管道壓強(qiáng)補(bǔ)償差為0.5MPa，因此，雖然復(fù)材修復(fù)II處補(bǔ)強(qiáng)位置能增大管道極限應(yīng)變，但不足以補(bǔ)償?shù)燃?jí)升級(jí)導(dǎo)致的壓強(qiáng)差。

(2)復(fù)材修復(fù)II處(根據(jù)ASME PCC-2計(jì)算修復(fù)層數(shù))補(bǔ)強(qiáng)位置管道壓強(qiáng)補(bǔ)償差為3MPa，大于地區(qū)等級(jí)升級(jí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)2.88MPa，所以復(fù)材修復(fù)II處補(bǔ)強(qiáng)能夠補(bǔ)償?shù)燃?jí)升級(jí)導(dǎo)致的壓強(qiáng)差。

2 結(jié)語

(1)文章采用的金屬試驗(yàn)管件靜水壓+應(yīng)變監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)方法可為今后類似的試驗(yàn)提供參考。

(2)通過不同玻璃纖維修復(fù)層數(shù)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析及Test法推導(dǎo)計(jì)算，證明了玻璃纖維復(fù)合材料可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)整體管段的加固處理，提高安全系數(shù)，但要達(dá)到預(yù)期效果需按照ASME PCC-2-2015《壓力設(shè)備和管道的維修》進(jìn)行層數(shù)設(shè)計(jì)。

(3)通過本文試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可為城市燃?xì)飧删€管網(wǎng)玻璃纖維復(fù)合材料用于整體管段加強(qiáng)提供理論支持，為解決由于地區(qū)等級(jí)升級(jí)帶來的安全裕量不足高后果區(qū)隱患治理提供實(shí)際指導(dǎo)意義。