B型钢质套筒修复技术改进研究

.B型全封闭钢质套筒修复技术的改进李荣光1 （1中国石油管道研究中心）李荣光等.B型全封闭钢质套筒修复技术的改进.油气储运， 摘 要：综述了东部管道缺陷情况，分析了传统B型套筒修复缺陷存在的问题，介绍了采用软件模拟、力学分析、爆破试验等方法设计的新型凸式B型套筒的研制过程，解决了传统B型套筒与缺陷管体结合贴合度低、焊接难度高，修复质量差等问题。主题词：管道；修复技术；B型套筒；有限元我国相当一部分管道经过多年服役，管体老化问题日益突出，加之早期建设的管道技术水平较低，从管道建设之日起，就存在大量由于制造引起的缺陷特征，如焊缝未焊透、未融合、撅嘴等，这些缺陷特征的存在严重威胁到了管道的安全运行。以东部管道为例，在其30多年的运行进程中，螺旋焊缝位置上发生了多起泄漏事故，造成了严重后果。由于大量严重缺陷发生在螺旋焊缝和环焊缝处，采用传统B型套筒进行修复，需要打磨掉焊缝余高，这会导致管体缺陷程度进一步加深，甚至出现泄漏事故。因此，施工中一般不打磨而直接安装套筒，致使套筒与管体结合不紧密、空隙过大，严重影响了焊接进度和修复质量。1传统B型套筒修复中存在的问题B型套筒修复技术原理是根据管体减薄处在内压作用下的径向应力增大，利用全封闭钢质套筒恢复管璧减薄处的承压强度，使其不会因达到塑性变形极限而破裂。B型套筒的安装过程主要有缺陷表面处理、降压、安装、焊接、焊接检测、防腐和回填七个技术环节。影响修复质量最重要的因素是套筒与管体的贴合度和焊接质量，套筒与管体的贴合度又是保证焊接质量的前提条件。因此，为了有效发挥套筒修复补强作用，应尽可能保证套筒和缺陷部位能够“无缝隙”地紧密贴合在一起，以限制缺陷超出塑性形变后继续扩展。传统B型套筒修复螺旋焊缝缺陷时，不打磨焊缝余高，套筒与管壁难以结合紧密，一般存在510mm的缝隙，套筒内壁与管体焊缝直接接触，套筒焊接完成后，焊缝处为主要承力点（图1）。图1 传统B型套筒安装后侧边及焊缝处为了了解这种安装方法对焊缝缺陷修复的影响，采用ABAQUS有限元对修复后管体进行应力分布分析。分析中涉及到的主要参数有：钢管直径720mm、壁厚8 mm、焊缝高度2.5 mm、宽度15 mm，焊缝缺陷为东部管道典型的内部裂纹缺陷，假设其长度为5.6 mm，套筒材料的弹性模量E=2.1105 MPa，泊松比=0.3，假设管道内压为4 MPa（图2、图3）。螺旋焊缝 裂纹图2 钢管横截面 图3 螺旋焊缝中的裂纹通过ABAQUS分析，钢管在仅承受内压载荷下裂纹附近的应力场显示，裂纹有扩展的趋势，应力强度因子K为74.7 MPam1/2（图4）。图4 应力场等值图使用传统的套筒修复焊缝缺陷时，套筒与管体接触主要集中在焊缝处，假设其作用力P1为1 000 N（图5）。裂纹P1图5 传统套筒的作用力在ABAQUS中计算得到，在上述载荷作用下，裂纹附近的应力场显示，应力强度因子K为76.7 MPam1/2（图6），大于仅在内压作用下产生的应力强度因子，可见传统B型套筒的安装方式对钢管焊缝中的裂纹缺陷具有一定的破坏作用。图6 应力场等值图2新型B型套筒新型B型套筒的研制目的是在不破坏缺陷管体原有外形的情况下，提高套筒与管体贴合度，改善传统套筒修复质量1。新型B型套筒的设计是在筒壁预留焊缝凹槽，安装时通过凹槽过度焊缝，以减少焊缝余高对套筒安装贴合度的影响（图7）。B型套筒的设计参数主要根据传统经验和软件模拟结果确定。主要参数有套筒材料的弹性模量E=2.1105 MPa，泊松比=0.3，假设内压为4 MPa，凹槽高度为4mm，宽度为变量通过软件模拟分析确定。在ABAQUS中建立有限元模型，分析凹槽处单独承受内压（缺陷破裂）的受力情况，处理后得到凹槽应力分布图（图8）。图7 新型B型套筒应力最大处图8凹槽应力分布图由图8可知，应力最大处为308 MPa，如果没有凹槽，应力应该在150 MPa左右，可见应力放大因子约为2。应力主要集中在凹槽的内部中间位置，而不是凹槽与套筒交汇处。如果内压突升至凹槽达到屈服应力，套筒凹槽出现应变集中，凹槽主要受到环向应力牵拉，凹槽变形宽度上升、高度降低，最终导致凹槽所受应力被分散到套筒其他部分。将凹槽的宽度作为变量设计7组凹槽，分别建立有限元模型，计算最大应力的数值。计算结果显示，随着凹槽宽度的减小，最大应力的数值会增大，但增长幅度非常有限。增加凹槽的宽度有利于减小应力集中。考虑焊缝的实际情况，确定凹槽宽度为40mm。使用新型B型套筒，凹槽高度为4 mm，宽度为40 mm，套筒与焊缝不直接接触，对管体焊缝顶部无作用力，但对焊缝附近的区域施加分布力p2，假设p2为4 MPa（图9），管道内压为4 MPa。由ABAQUS计算得到，在上述载荷作用下，裂纹附近的应力场显示（图10），裂纹在外加应力的作用下趋于闭合，在一定程度上抑制了裂纹的扩展，降低了缺陷继续发展的可能性。裂纹P2P2图9 焊缝附近区域的分布力图10 应力场等值图3爆破试验验证采用全尺寸静水压爆破试验，验证新型B型套筒修复螺旋焊缝缺陷效果。试验按文献2执行。试验用管材选用7209mm，材质16Mn，屈服强度为358MPa，螺旋焊缝钢管制作试验管件，封头厚度25mm，制作缺陷为85%90%螺旋焊缝缺陷（未焊透），缺陷长度为600mm。缺陷制作采用气切割，将试验管体完全切割开后，在缺陷外表面制作深度为1mm的坡口，再将坡口处用低氢焊条焊接。从力学计算中可以得出，含缺陷管道的屈服压力约为2MPa，计算过程如下：试验管道在水压的作用下，产生，轴向应力。如果管道没有缺陷，则屈服发生在：即，或 MPa（无缺陷管道的屈服压力）现有螺旋焊缝缺陷，长mm，深度其轴向的投影长度 mm，=2.8675=4.6905屈服准则为：或=2.012 MPa (含缺陷管道的屈服压力)式中：为水压；为环向应力；为轴向应力；为屈服强度；为螺旋焊缝缺陷轴向的投影长度；为无量纲长度；为Folias 因子；为应力放大因子；D为管道外径；t为壁厚。采用新型B型套筒对缺陷管体进行修复，安装过程中发现新型B型套筒的安装贴合度明显高于传统B型套筒，其缝隙平均宽度在1mm左右（图11），完全满足文献1的相关规定。图11新型套筒安装后的侧边图12 试验套筒压力-时间曲线（纵坐标改为/MPa，横坐标改为/min）图12为爆破试验压力随时间变化曲线，从图中可以看出，爆破压力达到14.0MPa，远高于管体实际运行压力（4.3MPa）和管体屈服压力（约8.0MPa）。试验完成后，测试管道直径由2 275mm膨胀至2 452mm，试验管体发生明显屈服，远大于套筒修复处的管体形变量（30mm），证明新型B型套筒可以很好地限制缺陷处管体的应力形变，有效地增强了缺陷处的承压能力。使用传统套筒修复焊缝缺陷，施工过程中对焊缝顶部产生的集中作用力，使裂纹有继续扩张的趋势，一旦裂纹尖端的应力强度因子接近管材的断裂韧性，裂纹将发生失稳扩展，直至破裂。通过软件模拟、力学分析设计的新型B型套筒，安装贴合紧密、焊接难度低，且焊缝附近区域产生的分布力在一定程度上抑制了裂纹的扩展。并通过爆破试验验证了其修复效果。参考文献：1 ASME PCC-2-2008 压力设备和管道的维修2 SY/T5992 输送钢管静水压爆破试验方法 (收稿日期：2009-12-25) 作者简介李荣光，工程师，1980年生，2005年硕士毕业于北京航天航空大学应用化学专业，现主要从事管道防护材料方面的研究工作。电话E-mail:地址：河北省廊坊市金光道51号 邮编：065000Innovation of Type B Full-Encirclement Steel Sleeves repair technologyAbstract A large number of weld defects ,such as inadequate penetration ,incomplete fusion ,fatigue cracks ,has been detected by the in-line inspection, the existence of those defects serious threaten the safe operation of the Eastern pipeline. At present, these defects have been mainly repaired by the traditional type B sleeve . Because of the severe defects, it is necessary to retain the original weld reinforcement during the repair process, resulting in difficulty with the sleeve in close fitting with the pipe. There will be a larger gap between the sleeve and the pipe, it bring on sleeve welding difficult issues and decline the repair quality. In this paper, through software simulation, mechanical analysis and testing methods, a new type of type B Full-Encircle