基于鋼制環(huán)氧套筒的環(huán)焊縫缺陷軸向修復(fù)效果分析

尚飛，黃永恒，吳永君，吳興林

國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西氣東輸分公司（湖北 武漢 430070）

天然氣管輸是目前天然氣最安全、有效的輸送方式，但作為一個龐雜的系統(tǒng)工程，任何一處問題都將影響整個系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行[1]。近年來，由于我國高鋼級管道建設(shè)里程的逐年增加，環(huán)焊縫數(shù)量龐大[2]，高鋼級管道環(huán)焊縫的質(zhì)量與安全問題突出[3]，環(huán)焊縫缺陷問題引發(fā)的失效事故呈增長趨勢[4-5]，直接影響管道的安全運(yùn)行[2]。環(huán)焊縫的失效模式主要為斷裂[6]，2018 年中緬管道“6.10”泄漏燃爆事故及2019 年泰青威天然氣管道“3.20”泄漏爆炸著火事故均與環(huán)焊縫質(zhì)量相關(guān)[2，7-8]。受環(huán)焊縫缺陷治理“窗口”等因素限制，目前國內(nèi)主要采取鋼制環(huán)氧套筒的不動火修復(fù)方式進(jìn)行臨時(shí)修復(fù)或永久修復(fù)[9-15]，并以其環(huán)向承載能力評估缺陷的修復(fù)效果，未對其軸向抗拉能力進(jìn)行系統(tǒng)評估[16-17]。因此，本文在Φ508 mm鋼管環(huán)焊縫上制造人工缺陷，利用鋼制環(huán)氧套筒進(jìn)行缺陷修復(fù)，并對修復(fù)后的鋼管進(jìn)行全尺寸拉伸試驗(yàn)，以對鋼制環(huán)氧套筒的軸向抗拉能力修復(fù)效果進(jìn)行評估。

1 方案設(shè)計(jì)

為有效開展鋼制環(huán)氧套筒軸向修復(fù)效果的全尺寸拉伸試驗(yàn)，首先需要在D508 mm×9.5 mm（X52鋼級）管材的環(huán)焊縫上人工制造整圈的外表面環(huán)向溝槽缺陷，缺陷軸向?qū)挾燃s為25 mm，深度約為5.7 mm，以降低管材的軸向承載能力，便于定量評價(jià)鋼制環(huán)氧套筒修復(fù)的軸向載荷能力。在安裝鋼制環(huán)氧套筒前，先在環(huán)焊縫9點(diǎn)鐘、12點(diǎn)鐘的缺陷部位及距離缺陷200 mm 的管體上各安裝一只應(yīng)變片傳感器，然后利用鋼制環(huán)氧套筒對環(huán)焊縫缺陷進(jìn)行修復(fù)，最后在鋼制環(huán)氧套筒外部的6點(diǎn)鐘、12點(diǎn)鐘部位及管體6點(diǎn)鐘部位各安裝一只應(yīng)變片傳感器，如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片安裝位置示意圖

鋼制環(huán)氧套筒灌注結(jié)束后，按工藝要求進(jìn)行靜置，以等待環(huán)氧樹脂固化。待上述準(zhǔn)備工作全部完成后，利用ZYNS-W2000拉伸試驗(yàn)機(jī)對修復(fù)后的管材進(jìn)行試驗(yàn)，全尺寸拉伸試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 鋼制環(huán)氧套筒軸向修復(fù)效果全尺寸拉伸試驗(yàn)流程框圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以6 mm/min 的速率對修復(fù)后的管材進(jìn)行全尺寸拉伸試驗(yàn)，分別在100、500、800、1 000、1 500、2 000 kN及2 500 kN位置保持30 s，在2 500 kN后持續(xù)拉伸直至管材被拉伸斷裂,試驗(yàn)拉力與時(shí)間的曲線如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)拉力與時(shí)間的關(guān)系曲線

從圖3分析可知，試驗(yàn)管材在3 854 kN時(shí)，拉力突然釋放，說明管材已被試驗(yàn)機(jī)拉斷，該拉力遠(yuǎn)低于無缺陷鋼管的理論軸向承載能力7 758 kN。與此同時(shí)，可以通過環(huán)焊縫上安裝的1#和3#應(yīng)變片進(jìn)行互相應(yīng)證，如圖4所示。

圖4 環(huán)焊縫上的應(yīng)變量與軸向拉力的關(guān)系曲線

從圖4分析可知，試驗(yàn)拉力在100～2 000 kN時(shí)，環(huán)焊縫上應(yīng)變片的拉伸量變化很小，超過2 000 kN后，應(yīng)變片的拉伸量明顯加快，約在3 750 kN 時(shí)，應(yīng)變片的拉伸量快速增大，說明環(huán)焊縫在快速被拉伸，直至圖3所示的3 854 kN時(shí)被突然拉斷。

為進(jìn)一步分析鋼制環(huán)氧套筒對環(huán)焊縫缺陷的軸向修復(fù)效果，對鋼制環(huán)氧套筒上的5#和6#應(yīng)變片、管材上的2#、4#和7#應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變對比分析，如圖5所示。

圖5 鋼制環(huán)氧套筒及管材上應(yīng)變量與軸向拉力的關(guān)系曲線

從圖5分析可知，試驗(yàn)拉力在500～1 500 kN時(shí)，在同一拉力下，鋼制環(huán)氧套筒表面及其內(nèi)部管體的應(yīng)變量基本一致，且明顯小于套筒外側(cè)7#傳感器的應(yīng)變量，說明鋼制環(huán)氧套筒較好地承載了軸向應(yīng)力。在1 500 kN時(shí)，鋼制環(huán)氧套筒外部的6#傳感器的應(yīng)變量突然減少并接近0，說明鋼制環(huán)氧套筒底部與管體脫離，管材上的拉力無法傳遞到鋼制環(huán)氧套筒并引起形變。

試驗(yàn)拉力在1 500～2 000 kN時(shí)，在同一拉力下，鋼制環(huán)氧套筒表面及其內(nèi)部管體的應(yīng)變量雖然整體小于套筒外側(cè)7#傳感器的應(yīng)變量，但是在同一時(shí)鐘方位上，套筒表面5#傳感器的應(yīng)變量明顯小于管體表面4#傳感器的應(yīng)變量。在2 000 kN時(shí)，套筒內(nèi)部2#傳感器的應(yīng)變量突然增大，并于套筒外側(cè)7#傳感器的應(yīng)變量基本一致，且后續(xù)試驗(yàn)同步增長，說明鋼制環(huán)氧套筒在2#傳感器的安裝部位已與管體脫離，管材上的拉力無法傳遞到鋼制環(huán)氧套筒上引起形變。

試驗(yàn)拉力在2 000～2 500 kN 時(shí)，在同一拉力且同一時(shí)鐘方位上，鋼制環(huán)氧套筒表面5#傳感器的應(yīng)變量明顯小于管體表面4#傳感器的應(yīng)變量，在2 500 kN時(shí)，套筒表面5#傳感器的應(yīng)變量突然變小，管體表面4#傳感器的應(yīng)變量突然增大，說明鋼制環(huán)氧套筒在管頂4#傳感器的安裝部位已與管體脫離，管材上的拉力無法傳遞到鋼制環(huán)氧套筒上引起形變。

從上述分析結(jié)果可知，鋼制環(huán)氧套筒在軸向拉力下，套筒與管體分離共分為3個階段：第1個階段套筒與管體未分離，與管體一同承擔(dān)較好的軸向拉力；第2個階段套筒與管體逐步分離，在未分離的部位承擔(dān)部分軸向拉力；第3 個階段套筒與管體完全分離，不能承擔(dān)管體的軸向拉力。

為定量分析鋼制環(huán)氧套筒的軸向承擔(dān)拉力或強(qiáng)度，對管體各監(jiān)測點(diǎn)的理論軸向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并與拉伸試驗(yàn)的實(shí)際拉力進(jìn)行對比，經(jīng)過計(jì)算可知，鋼制環(huán)氧套筒在最大壓力下，約承擔(dān)765 kN 的拉力，主要通過套筒與管體之間的環(huán)氧樹脂進(jìn)行軸向剪切應(yīng)力的傳遞，剪切強(qiáng)度約0.92 MPa。

3 結(jié)論

通過對鋼制環(huán)氧套筒修復(fù)后的管材進(jìn)行全尺寸拉伸試驗(yàn)，并對套筒內(nèi)外的應(yīng)變量進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1）在較小的軸向拉力下，鋼制環(huán)氧套筒能夠全部或部分承擔(dān)管體上的軸向拉力；在較大的軸向拉力下，鋼制環(huán)氧套筒與管體逐步分離，分離部位不再承擔(dān)管體的軸向拉力，未分離部分仍承擔(dān)管體上的部分軸向拉力，但是套筒表面的應(yīng)變量比管體上的應(yīng)變量小，其承擔(dān)的軸向拉力也相應(yīng)較小。

2）根據(jù)GB/T 36701—2010《埋地鋼質(zhì)管道管體缺陷修復(fù)指南》的要求，鋼制環(huán)氧套筒修復(fù)后的承壓能力不低于管道的原設(shè)計(jì)壓力，未對軸向的修復(fù)效果進(jìn)行要求。然而，本試驗(yàn)結(jié)果表明D508 mm×9.5 mm（X52 鋼級）管道的最大剪切強(qiáng)度僅為0.92 MPa，對管道環(huán)焊縫缺陷軸向補(bǔ)強(qiáng)能力有限。因此，鋼制環(huán)氧套筒不宜用于對山區(qū)地段等軸向應(yīng)力較大的管道環(huán)焊縫缺陷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，以防止管道軸向拉伸斷裂后，鋼制環(huán)氧套筒的填充樹脂脫落管體造成氣體泄漏失效。