（油气储运工程专业论文）盗油孔导致的在役输油管道损伤及其评价技术.pdf

中图分类号：t e 8 9 单位代码：1 0 4 2 5 学号：$ 0 7 0 6 0 7 6 0 寸阂石油六学 硕士学位论文 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 盗油孔导致的在役输油管道损伤 及其评价技术 d a m a g e s o fo i lp i p e l i n ec a u s e db ys t o l e nh o l e sa n dt h e e v a l u a t i o nt e c h n o l o g y 学科专业：油气储运工程 研究方向：多相管流及油气田集输技术 作者姓名：高安东 指导教师：何利民教授 二。一。年五月 d a m a g e so fo i lp i p e l i n ec a u s e db y s t o l e nh o l e sa n dt h e e v a l u a t i o nt e c h n o l o g y at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g a oa n d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f h el i m i n c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n d a r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也1 i 包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 )， 学位论文作者签名：函垒量!r 期：加d 年孕月b 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位沦文，按规定向国家有关部f - j ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期：切d 年 同期：2 d 石年 名月易同 4 月口同 摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国经济持续快速的发展及能源结构的调整，我国石油 天然气管道工业也得到了蓬勃地发展，油气管道总长度已居世界前列。但与此同时，在 经济利益的驱动下频频发生的不法分子打孔盗油现象，已经严重威胁到了输油管道的正 常生产。目前这些深受“伤害”的管道能否能够经受增压的考验，即使不增压，在当前 的工作压力下管线还有多少的安全余度，将是摆在我们面前迫切需要研究的问题。 本文结合中石化管道储运分公司鲁宁输油处设立的课题“盗油孔导致的在役输油管 道损伤及其评价技术 研究，对盗油孔洞的危害给出科学定量的评价，以保证输油管道 的安全生产。主要研究内容和成果如下： 1 、大规模的现场实时测试 2 0 0 6 年1 0 月，由中石化管道公司调度中心全线调控管道压力( 压力波动范围0 4 m p a ) ，在实验区段临沂首站南约2 5 k m 处，成功对运营中的盗油孔管段进行了实时测 试，测点约1 2 0 个，掌握了管体及盗油孔局部区域的应变分布状况。 2 、管道水压试验 2 0 0 7 年4 月，对现场替换下来的2 段旧管( 1 段为现场测试管道) 以及尚未投入使 用的新管( 共3 段管道) 进行了水力压力实验。重点测试了盗油孔周边应力集中区和焊 缝周边焊接影响区的应变分布，并与现场测试结果相互印证和对比。 在进一步补充大量实验数据后，对现场实验管道进行了压力爆破试验，获得了管道 膨胀屈服、盗油孔应力集中、到最高压力极限破裂全过程中的变形数据，为综合分析盗 油孔管道强度奠定了基础。 3 、管材力学性能、金相组织、腐蚀程度研究 先后从实验管段截取材料试样4 0 0 余件，根据国际或国家相关标准进行了大规模材 料性能试验，包括宏观力学性能( 拉伸、冲击、疲劳、断裂实验) 、材料金相组织以及 断口观测分析。 通过对新旧管材进行的力学性能实验，全面了解了新旧管道材料的性能差异情况， 结合对材料的金相分析和断口分析，对管道材料经过长年服役其性能的变化情况有了深 刻的认识。 4 、管道强度评价理论与数值仿真模拟 结合盗油孔分布及螺旋焊缝的位置对管道在内压作用下的应力应变状态进行了理 论推导。并利用大型有限元软件a n s y s 系统对管道结构焊接过程、焊接残余应力和内 压载荷作用下的应力应变进行了数值仿真。 5 、盗油孔修补相关的技术研究 基于上述管道结构在焊接和内压情况下的受力与强度研究数据，对盗油孔修补过程 中涉及的一系列参数变化，包括不同形状焊帽或补板在焊接高温和管道内压2 种条件下 的残余应力、应力集中等参数进行了高精度数值分析，得到了与盗油孔修补过程相关的 若干基础数据，为选择焊帽形状，优化修补方案提供了依据。 关键词：盗油孔，管道强度，力学性能，有限元法 d a m a g e s o fo i lp i p e l i n ec a u s e db ys t o l e nh o l e s a n dt h ee v a l u a t i o nt e c h n o l o g y g a o a n d o n g ( s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h el i m i n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee v e r l a s t i n ga n dq u i c ke c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n da d j u s t m e n to fe n e r g y s t r u c t u r ei no u rc o u n t r ys i n c e19 9 0 s ，t h eo i la n dg a sp i p e l i n ei n d u s t r yh a sa l s od e v e l o p e d q u i c k l y ，a n dt h et o t a ll e n g t ho fp i p e l i n eh a sr a n k e df o r w a r di nt h ew o r d m e a n w h i l et h ec i r c s o fo i ls t o l e nh o l eu n d e ri l l e g a l p r o f i t sh a sh a p p e n e df r e q u e n t l y ，w h i c hh a st h r e a t e n e dt h e n o r m a lp r o d u c t i o no fo i lp i p e l i n e a tp r e s e n t ，w h e t h e rt h e s ed a m a g e dp i p e l i n ec a na f f o r dt h e t r yo fp r e s s u r i z i n g ，o rt h es a f er e s i d u a lu n d e rp r e s e n tp r e s s u r e ，i st h ei n s t a n tp r o b l e mw h i c h s h o u l db er e s e a r c h e d 1 1 1 i sp a p e rc o m b i n e sw i t ht h ep r o g r a mo fr e s e a r c ho fd a m a g ea n de s t i m a t eb yo i ls t o l e n h o l ew h i c hi ss e tu pb yt h es t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nd i v i s i o no fs i n o p e c ，g i v et h es c i e n t i f i c a n dq u a n t i t a t i v ee s t i m a t eo fo i ls t o l e nh o l ed a m a g et om a k es u r et h es a f ep r o d u c t i o no fo i l p i p e l i n e 1 1 1 em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r ep r e s e n ta sf o l l o w s ： 1 m a s s i v er e a lt i m es i t et e s t i no c t o b e ro f2 0 0 6 ，t h ed i s p a t c hc e n t e ro fs i n o p e ep i p e l i n ec o m p a n yc o n t r o l l e dt h e p i p e l i n ep r e s s u r e ( p r e s s u r ef l u c t u a t i o nf r o mn u l lt o4 m p a ) ，a n di nt h et e s ts e c t i o n2 5 k ms o u t h o fl i ny if r o n ts t a t i o nt h er e a lt i m et e s t i n gw a ss u c c e s s f u l l yc o m p l e t e di n c l u d i n g12 0t e s t i n g p o i n t s ，a n dm a s t e r e dt h es t r a i nd i s t r i b u t i o ns t a t i o no ft h ep i p e l i n ea n dp a r tr e g i o n sa r o u n dt h e o i ls t o l e nh o l e 2 p i p e l i n ew a t e rp r e s s u r i n gt e s t i na p r i lo f2 0 0 7 ，w a t e rp r e s s u r i n gt e s to nt w or e p l a c e do l dp i p es e c t i o n s ( o n es e c t i o ni s s i t et e s tp i p e l i n e ) a n dn e w p i p e s ( t o t a lt h r e es e c t i o n s ) w h i c hh a v e n tb e e np u to np r o d u c t i o n t h ep r i o r i t yi st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na r o u n dt h eo i ls t o l e nh o l ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n a r o u n dw e l d i n gl i n e a n da l s oc o n f i r m e da n dc o n t r a s t e dw i t hs i t et e s t i n gr e s u l t s w i t ht h es u p p l e m e n to fm a s tt e s t i n gr e s u l t s t h ep r e s s u r i n ge x p l o s i o no ft h ep i p es e c t i o n t e s ti sp r o g r e s s e d ，o b t a i n e dt h es t r a i nd a t ao fp i p ee x p a n dy i e l d ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dt h e c o u r s et of u r t h e s tp r e s s u r el i m i tb u r s t ，a n dw h i c hi st h eb a s eo f i n t e g r a t e da n a l y s i sf o rp i p e l i n e i n t e n s i t yw i mo i ls t o l e nh o l e 3 r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea n dc o r r u p t i o ne x t e n t t h ei n t e r c e p t e dm a t e r i a ls a m p l ef r o mt h et e s t i n gp i p ei si na l lm o r et h a n4 0 0p i e c e s ，a n d m a s tm a t e r i a lp e r f o r m a n c et e s ti sp r o c e s s e da c c o r d 诵t 1 1t h ei n t e m a t i o n a lo rs t a t es t a n d a r d s ， i n c l u d i n gg r a n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ( e x t e n s i o n ，i m p u l s i o n ，f a t i g u ea n dr u p t u r et e s t ) ， m a t e r i a lm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea n dc h a s mo b s e r v a t i o na n a l y s i s t h r o u g ht h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c et e s to ft h en e wa n do l dp i p es e c t i o n ，t h i sp a p e rg e t s g o o dk n o w l e d g eo fp e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m c o m b i n e dw i t ht h em e t a l l u r g i c a l a n dc h a s ma n a l y s i s ，t h i sp a p e ra l s og e t sp r o f o u n du n d e r s t a n do ft h ep i p em a t e r i a la f t e rl o n g p e r i o do fs e r v i c e 4 e s t i m a t i o nt h e o r yo fp i p ei n t e n s i t ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i na c c o r d a n c ew i t l lt h ep o s i t i o no fo i ls t o l e nh o l ea n ds c r e ww e l d i n gl i n e ，t h i sp a p e r p r o c e s s e st h et h e o r e t i c a ld e d u c eo fp i p es t r e s sa n ds t r a i ns t a t eu n d e ri n t e r n a lp r e s s u r e u s i n g m o u l df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，m a k et h es i m u l a t i o no fp i p e l i n es t r e s sa n ds t r a i n d u r i n gs t r u c t u r ew e l d i n gp r o c e s s ，w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n di n t e r n a ll o a d i n g 5 r e s e a r c ho nt h eb o r e dh o l er e p a i r i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h eb e a r i n ga n di n t e n s i t yd a t ao fp i p es t r u c t u r eu n d e rw e l d i n ga n di n t e r n a l p r e s s u r em e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rm a k e sh i g hp r e c i s i o nn u m e r i c a la n a l y s i so f t h es e r i e so f p a r a m e t e rv a r i e t i e sd u r i n g o i ls t o l e nh o l er e p a i r i n g ，i n c l u d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n ds t r e s s c o n v e r g e n c eo fd i f f e r e n ts h a p e dw e l d i n gc a po rp a t c h i n gb o a r du n d e rh i g hw e l d i n g t e m p e r a t u r ea n di n t e r n a lp r e s s u r e ，a n dg e t ss o m eb a s i cd a t ai nc o n n e c t i o nw i t ho i ls t o l e nh o l e r e p a i r i n gp r o c e s s ，w h i c hp r o v i d e sf o u n d a t i o n f o rs e l e c t i o no fw e l d i n gc a ps h a p ea n d p r e f e r e n c eo fr e p m r i n ga r r a n g e m e n t k e yw o r d s ：o i ls t o l e nh o l e ，p i p e l i n ei n t e n s i t y , m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景及研究意义。1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 我国管道运营现状1 1 2 2 我国及鲁宁管线打孔盗油现状3 1 3 本文主要研究内容4 第2 章管道现场实验及数据分析6 2 1 实验管段介绍。6 2 2 现场实验7 2 2 1 实验方法7 2 2 2 测试点选取8 2 2 3 贴片与布线1 2 2 2 4 实验1 3 2 3 数据处理与分析1 5 2 3 2 盗油孔间位置2 1 2 3 3 管体侧面位置2 5 2 3 4 管体顶部及底部位置2 6 2 3 5 应力集中系数2 6 2 4 结论2 7 第3 章管道压力实验及数据分析一2 8 3 1 实验情况简介2 8 3 2 管道压力实验2 8 3 2 1a 管3 0 3 2 2b 管3 4 3 2 3c 管3 6 3 3 实验数据分析3 8 3 3 1a 管3 8 3 3 2b 管4 6 3 3 3c 管51 3 4 管道压力实验结论5 3 第4 章管道材料性能实验5 5 4 1 拉伸实验5 6 4 1 1 实验试样设计5 6 4 1 2 实验过程5 7 4 1 3 实验数据分析6 0 4 2 冲击实验6 4 4 2 1 实验试样设计一6 4 4 2 2 数据总结分析6 5 4 3 疲劳实验6 6 4 3 1 实验试样、夹具设计一6 6 4 3 2 实验过程一6 7 4 3 3 实验结果6 7 第5 章金相组织及断口分析7 3 5 1 金相组织分析7 3 5 2s e m 、c t 试样制各7 4 5 3 疲劳断口比较分析7 5 5 3 1 同类( a 类) 材质不同区段7 5 5 3 2 不同材质相同区段7 7 5 3 3 拉伸断口分层、错层现象7 9 5 3 4 杂质分析一8 2 5 3 5 裂纹分析8 3 5 4 结论8 4 第六章焊接管道结构强度的有限元分析8 5 6 1 内压作用下输油管道应力分析8 5 6 1 1 内压作用下无盗油孔管道应力分布8 5 6 1 2 内压作用下含盗油孔管道应力分析8 6 6 2 焊接残余应力9 2 6 2 1 焊接残余应力产生的原因9 2 6 2 2 数学模型9 2 6 2 3 焊接残余应力的有限元计算9 3 6 3 基于焊接残余应力分析的压力管道有限元计算一1 0 2 6 3 1 有限元计算与室外压力实验数据对比分析10 3 6 3 2 有限元计算与现场实验数据对比分析1 1 2 6 4 焊帽形状优化1 16 6 4 1 焊接修复残余应力1 1 6 6 4 2 内压作用下各修复方式比较分析1 18 6 5 结论1 2 4 第7 章结论及建议1 2 6 7 1 结j 沧12 6 7 2 建议1 2 7 参考文献1 2 8 j i j 【谢1 2 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国经济持续快速的发展及能源结构的调整，我国石油 天然气管道工业也得到了蓬勃地发展，油气管道总长度已居世界前列。但与此同时，在 经济利益的驱动下频频发生的不法分子打孔盗油现象，已经严重威胁到了输油管道的正 常生产。据不完全统计，仅在鲁宁输油处临邑站附近，打孔盗油次数为【l 】：1 9 9 9 年打孔 盗油2 处，2 0 0 0 年打孔盗油2 6 处，2 0 0 1 年打孔盗油5 2 处，2 0 0 2 年打孔盗油1 3 1 处、 2 0 0 3 年打孔盗油4 5 处，2 0 0 4 年l - - 7 月打孔盗油3 5 处。管道上的盗油孔孔径分别为3 4 ”、 1 - 、1 2 ”、1 1 2 ”、2 ”，其中以l ”盗油孔最多，盗油孔之间的距离不等，一般在2 0 0 m m 左右【2 】。如此严重的打孔盗油现象，虽然经过各级政府部门齐抓共管取得了一定的效果， 但仍时有发生，给输油管道正常生产带来了潜在的安全隐患。 无论是原油泄漏的直接损失，还是停输、环境污染的问接损失比起打孔盗油对管线 承载力和安全性的破坏来说都是暂时的，而且从长远看这种损失也要小得多。盗油孔对 管道承载力和安全性的损害是潜在的却是致命的。因为被打孔的管道会在孔边产生应力 集中，这样孔附近的应力会比远离孔的地方高很多；现场对被破坏管道一般采用焊接修 补的方法进行抢修，这种抢修方法一般有两种：一种是在盗油阀外边焊接一个支管，俗 称“扣帽子”；另一种是把偷油阀去掉，然后焊接一块圆形补板【3 】。无论是那种方法，首 先焊接所选用的材料的强度会影响管道的整体强度，其次焊接的质量也会对管道强度造 成影响，再者焊接残余应力也是一个不可忽略的因素，而且可能是一个非常重要的因素。 这些诸多因素中的任何一个都可能对管道的整体安全性造成致命的影响，而“油耗子 频繁的打孔盗油使管线的诸多地段伤痕累累，给管道的安全运营带来隐患。 目前这些深受“伤害 的管道能否能够经受增压的考验，即使不增压，在当前的工 作压力下管线还有多少的安全余度，将是摆在我们面前迫切需要研究的问题。因此，中 石化管道储运分公司鲁宁输油处设立了本课题“盗油孔导致的在役输油管道损伤及其评 价技术”研究，拟对盗油孔洞的危害给出科学定量的评价，以保证输油管道的安全生产。 1 2 国内外研究现状 第l 章绪论 1 2 1 我国管道运营现状 真正意义的管道运输，始于1 9 世纪石油天然气的开发与利用。美国于1 8 5 6 年在宾 夕法尼亚建立了世界上第一条输油管道，直径5 0 m _ r n 、长9 k m 。该州于1 8 7 4 年又建立 了一条直径1 0 0 m m 、长度9 6 k m 的输油管道。到目前为止，全世界大型石油和天然气管 道总长度已超过2 0 0 万公里。 我国发展石油天然气工业主要在建国后，特别是在改革开放以后。1 9 5 8 年我国克拉 玛依油田首先开发建立了两条从克拉玛依至独山子炼油厂的输油管道，管径1 5 0 m m ， 全长约3 0 0 k m 。1 9 5 8 年建立了从四川永州黄瓜山气田直至永川化工厂的第一条天然气管 道，管径1 5 0 m m ，全长2 0 k m 。1 9 7 0 年，大庆油田原油产量突破2 0 0 0 万吨，依靠火车 运油远远满足不了大庆油田快速发展的需要。为了解决大庆油田被迫限产、关井的难题， 国务院于1 9 7 0 年8 月3 日决定展开东北“八三工程 会战，掀起了中国第一次建设油 气管道的高潮。经过5 年奋斗，于1 9 7 5 年建成了庆抚线、庆铁线、铁大线、铁秦线、 抚辽线、抚鞍线、盘锦线、中朝线8 条管线，总长2 4 7 1 公里，率先在东北地区建成了 输油管网。至2 0 0 3 年底，我国油气管道累计长度4 5 8 6 5 k m ，管道长度居世界第六位。 其中，原油管道1 5 9 15 k m ，天然气管道2 1 2 9 9 k m ，成品油管道6 5 2 5 k m ，海底管道2 1 2 6 k m 。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国天然气管道得到快速发展，天然气消费领域逐步扩大， 城市燃气、发电、工业燃料、化工用气大幅度增长。2 0 0 4 年投产的西气东输工程横贯中 国西东，放射型的支线覆盖中国许多大中城市，并于2 0 0 5 年通过冀宁联络线与陕京二 线连通，构成我国南北天然气管道环网。忠武输气管道也于2 0 0 4 年底建成投产。到2 0 0 5 年初步形成西气东输、陕京二线、忠武线三条输气干线，川渝、京津冀鲁晋、中部、中 南、长江三角洲五个区域管网并存的供气格局。我国海底油气管道建设还不到2 0 年时 间，管道数量不多，但技术上都达到了国际先进水平。此外，我国还自行设计建成了山 西省尖山矿区太原钢铁厂铁精粉矿浆管道，管道全长1 0 2 k m ，管径2 2 9 7 m m ，精矿运 量2 0 0 x 1 0 4 t a ，矿浆重量浓度6 3 6 5 ，以及长距离、大口径、高压力煤气管道。“十 一五”期间，我国将加快油气干线管网和配套设施的规划建设，逐步完善全国油气管线 网络，建成西油东送、北油南运成品油管道，同时适时建设第二条西气东输管道及陆路 进口油气管道。 因此，未来1 0 年是我国管道工业的黄金期，除得益于我国经济的持续快速发展和 能源结构的改变，建设的中俄输气管线、内蒙古苏格里气田开发后将兴建的苏格里气田 外输管线、吐库曼和西西伯利亚至中国的输气管线等，不仅为中国，也为世界管道业提 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 供了发展机遇。 1 2 2 我国及鲁宁管线打孔盗油现状 自上个世纪9 0 年代以来，一些不法分子受暴利驱动在输油管线上打孔盗油，疯狂 窃取国家财产。2 0 0 0 年1 0 0 2 年中国石油管道分公司累计发生打孔盗油案件2 4 1 次， 其中2 0 0 0 年6 2 次，2 0 0 1 年8 7 次，2 0 0 2 年9 2 次。除此之外，2 0 0 2 年还发现打孔未遂 案件( 包括可疑情况) 3 5 次。2 0 0 0 年度，在长庆油区范围内，输油管线被打孔破坏的 有6 7 4 3 起，外泄原油1 3 0 0 0 多吨，造成经济损失1 0 7 7 3 万元。而2 0 0 1 年第一季度就发 生打孔盗油事件2 0 9 3 起。据中石化管道公司称，截至2 0 0 3 年1 2 月3 1 日，所辖管线共 遭受打孔盗油4 2 2 9 次，仅2 0 0 3 年的直接经济损失保守估计也在上亿元。2 0 0 5 前7 个月 天津、辽宁、山东、河南、黑龙江等地共发生打孔盗油2 7 5 9 次，因管道被打孔共造成 管道停输3 5 0 0 余小时。管道储运公司下属单位潍坊输油处所辖9 2 7 公里管线从1 9 9 8 年 到2 0 0 6 年底，管道共被打孔2 0 0 0 多个。山东临邑至河南濮阳的临濮输油管道是一条横 跨鲁豫两省的重要“油脉 ，途经山东莘县6 7 3 5 公里。近年来，在这不足7 0 公里的输 油线上，盗油“黑手 频频出现：2 0 0 4 年至2 0 0 6 年1 0 月，近1 5 0 起的打孔盗油让输油 动脉千疮百孔，严重影响管线的正常运营。 鲁宁输油管道途经山东、安徽和江苏3 省，1 9 个县( 市) 。该线1 9 7 7 年投产，自北 向南有1 3 座泵站，首站为山东临邑，中间分别为齐河、长清、宁阳、宁阳、邹城、滕 州、铜山、睢宁、泗县、泗洪、盱眙、六合，末站江苏仪征，全长6 5 5 3 7 k m ，管道直 径7 2 0 m m ，壁厚8 ( 9 ) m m ，设计运行最高工作压力4 2m p a 。管道材质为1 6 m n 螺旋焊 缝钢管，管道干线采用普通级沥青玻璃布防腐和阴极保护【4 】。鲁宁输油管线主要承担胜 利油田原油外运，以及黄岛进口原油外输至仪征的任务，是保障沿江炼化企业生产的一 条主要生命线。然而，自9 0 年代以来这条生命线却时常受到人为的破坏。这种破坏主 要来源于油耗子的打孔盗油。据不完全统计，1 9 9 9 至2 0 0 3 年鲁宁输油管道山东段共发 现盗油点2 2 7 处，管道被迫停输5 0 次，被盗原油超过2 4 5 0 m 3 ，直接经济损失约9 0 0 万 元，这还不包括由于原油泄露所造成的环境污染的损失。另据金羊网，新快报报道：鲁 宁输油处2 0 0 6 年6 月2 8 建好的从临邑通往济南炼油厂的长约7 0 k m 的输油管道在一个 月内就被破坏3 6 次，损失至少三四百万。鲁宁输油管线上最近的一次打孑l 盗油事件发 生在2 0 0 7 年7 月3 1 日凌晨，地点是在山东曲阜市姚村镇前代村东，此次盗油造成原油 管喷近3 个半小时，导致3 0 吨原油泄露，近8 亩农田被污染，并使从北临邑到仪征的 3 第l 章绪论 输油管线停输1 0 个小时。 因此，针对打孔盗油活动猖獗的现状，对经过修复的管道进行全面的强度评价显得 迫在眉睫，而输油管道强度损伤与动态强度评价涉及管道动力学、流体力学、断裂力学 等多方面不同领域的知识和经验5 】【6 】【7 1 ，并且由于管道材质、油品质量、环境差异、输 送工艺、盗油孔洞形式等的多样性，目前尚未有一种实用、可靠的方法解决输油管道的 动态强度定量评价问题【8 】，这是一个具有中国特色的特殊课题，目前国内外对此类问题 的研究基本上处于空白状态1 9 1 1 0 1 。因此，研究输油管道盗油孔对管道强度的影响就成了 保证管道安全运行的首要任务，具有重要的理论与工程意义。 1 3 本文主要研究内容 针对打孔盗油活动猖獗的现状，对经过修复的管道进行全面的强度评价显得迫在眉 睫。从查阅的参考文献来看，目前国内外对此类问题的研究基本上处于空白状态。因此， 中石化管道储运分公司鲁宁输油处设立了本课题“盗油孔导致的在役输油管道损伤及其 评价技术”，研究内容主要如下： ( 1 ) 管道现场实验：设计现场实验实施方案，包括管道内压调控、应变片布点位 置设计、贴片及布线、现场测试、数据记录及处理、数据分析等；通过实验数据分析管 道在运营状态下应力应变分布情况，尤其是盗油孔附近区域。 ( 2 ) 管道压力实验：分别对以焊帽和补板方式修复的含盗油孔的旧管道以及尚未 投入使用的新管道进行压力实验，包括管道内压控制与测试、应变片布点位置设计、贴 片及布线、安全防护、过程监控、数据记录与处理、数据分析等；分析螺旋焊缝影响区 域的应力应变状态以及两种不同修补方式造成的应力集中情况等。 ( 3 ) 管道材料性能实验：对管道材料进行拉伸、疲劳、冲击实验，分析新旧管道 材料力学性能差异，考察旧管道材料力学性能变化情况，为管道综合强度评价提供依据。 ( 4 ) 管道材料金相及断口分析：对新旧管道材料进行金相和拉伸、疲劳断口分析， 考察其金相组织的差异、断裂机理的区别，从而为全面评价新旧管道材料性能提供补充。 ( 5 ) 有限元数值模拟：基于a n s y s 有限元软件分析平台对管道进行强度评价分析， 主要包括：基于实验段管道尺寸、盗油孔分布情况以及修补模型建立管道有限元模型； 模拟焊接过程，分析螺旋焊缝及焊帽修补时因为焊接造成的残余应力；对管道施加 内压，分析其在焊接残余应力、盗油孔及其焊帽造成的应力集中等共同作用下管道的应 力应变分布状态并将其结果与现场实验、压力实验进行对比；基于有限元分析预测修 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 补盗油孔管道所能承受的最大内压；设计出新的焊帽模型并对其在内压作用下的应力 状态进行分析，为进行盗油孔抢修提供依据。 5 第2 章管道现场实验及数据分析 第2 章管道现场实验及数据分析 2 1 实验管段介绍 针对打孔盗油状况频发的现状，有必要对修补后的管道进行综合强度评价以确保其 安全稳定运营；其中，对管道在工作状态下的测试与分析，了解其在正常运行状态时的 应力、应变状态，对于全面评价管道强度有着重要的意义。 为此，研究针对管道打孔盗油比较典型的管段进行了现场实验测试。图2 1 所示为 被测试管段所处的位置与环境。图2 2 展示了被测试管段，从图中可以看出，在短短不 到5 m 长的管道上，居然被盗油分子密密麻麻打了9 个孔，从中不难想象盗油现象的猖 獗程度。 管道被打孔盗油，其强度必然受到损害。为了防止石油的继续外漏以及保障稳定输 油，考虑到更换新的管道成本很高而且影响石油运输，一般采取修补的办法维持运营。 常用的修补方法有支管加帽( 俗称“盖帽子 ) 和圆板焊接修补两种。图2 2 为“盖帽 子”修补法。 图2 - 1 现场实验所处的位置和环境 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f i g 2 - 1l o c a t i o na n de n v i r o n m e n t o fe x p e r i m e n t a ls i t e 2 2 现场实验 2 2 1 实验方法 图2 - 2 管道被打孔盗油状况 f i g 2 - 2p e r f o r a t e do i lp i p e l i n e 针对实验的环境与条件，采用电阻应变测量方法( 简称电测法) ，该方法的原理是 将电阻应变片( 简称应变片) 粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，应变片随着 构件一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，将应变转换成电信号进行测量的方 法，通过电阻应变测量仪器( 简称电阻应变仪) ，可测量出应变片中电阻值的变化，并 换算成应变值，或输出与应变成正比的模拟电信号( 电压或电流) ，用记录仪记录下来， 也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力值。 7 第2 章管道现场实验及数据分析 2 2 2 测试点选取 图2 - 3 被测试段模型 f i g 2 - 3m o d e lo ft e s ts e c t i o n 为了全面综合地测试该段管道的应力、应变分布状态，实验从多角度出发，全方位 考虑各方向、位置的应变分布情况以及可能发生应力集中现象的区域和范围，选取了有 代表性的点作为测试点。考虑到室外实验应变片受温度、湿度变化影响大的特殊情况， 实验在可能的范围内尽可能多选取几个相似位置同时测试，以防止应变片脱落对测试造 成的不良影响。 测试点共分五大部分，分别是盗油孔周边、两孔间、侧面、顶部和底部。因为测试 位置数量很多，为了仅从号码就能直观的看出所测得的是何位置的应变，实验对测试点 进行了统一编号，分别用k 、l 、c 、d 、x d 来作为头字母，具体编号规则如下所示： k 一盗油孔周边应变片编号，如k