矩形補片老化對爆裂的影響——輸氣管道壓力

矩形補片老化對爆裂的影響

輸氣管道壓力 

摘要

對從API 5LX52輸氣管道中提取的管道進行了7次全尺寸靜水壓爆破試驗，該管道包含矩形和橢圓形角焊縫以及其他不同幾何形狀的修補。所有的斷裂都發生在大面積的屈服之后。該分析表明，產生更大風險的補片是：（1）在非常低的壓力下連接到管道上；（2）用于修復大型缺陷；（3）是矩形的，在管道方向上長而窄；（4）焊縫質量值得懷疑。根據在線檢查（ILI）報告的數據，在上述四種情況中，只有第三種情況可以評估，以便量化風險并安排更換。?2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

關鍵詞: 管道; 修補補片; 可靠性; 爆破壓力試驗

1. 引言

發生在2002年初的24英寸的輸氣管道爆發，是由矩形角焊補片開始的，見圖1(a)[1]。爆裂是由兩條總長度為12米的連續縱向裂縫的擴展引起的，這兩條裂縫之間由兩條沒有斷裂的套筒加強筋隔開。裂紋萌生與縱向焊縫趾部的層狀撕裂有關，如圖1(b)的橫截面所示！10)及圖2(！100).該補丁覆蓋了一個大的微生物引起的腐蝕缺陷，深度為81% 的壁厚，位于管道的底部。維修的安裝日期不詳。失效發生在5.6 MPa 的壓力下，比該管線的最大允許壓力(6.0 MPa)低6% 。

這一故障顯然與維修設計和安裝不當有關，角焊縫的質量非常差，嚴重的下切。這并不是唯一一條焊接到這條天然氣管道上的補丁。多年來，角焊片廣泛應用于輸油氣管道中，并發現了幾種導致輸油管道失效的角焊片[2-5]。與這些故障相關的最常見的問題是:

·舊管材的厚度強度非常差，由于嚴重的顯微結構帶，高雜質水平，有時還有排列的非金屬夾雜物層壓缺陷(圖2)

·縱向補片與圓角焊縫接頭處的貫通厚度應力較大

·焊接缺陷，主要是下切和缺乏熔合

這些修補補丁的低可靠性早已被認識到，并且新的修補程序已經被開發[6-8]?，F代的修復程序依賴于對焊接變量的良好控制，以及避免在管道表面產生縱向不連續性。雖然沒有完全消除，但由于不正確的修理而造成的故障已明顯減少?，F在人們更好地了解了管道和修理材料之間的機械相互作用，并不斷采用新的方法來確保修理的可靠性[9-11]。

然而，管道運營商仍然需要處理許多維修工作，而這些維修工作卻鮮為人知。在線檢查(ILI)技術用于檢測和排序的關鍵性缺陷和先前的修理。在評估舊管道的可靠性時，有必要評估這些修補補丁的狀況是否至關重要，確定故障的概率，以及當故障概率較高時，確定和安排未來的預防和糾正措施。

本研究的目的是確定矩形或橢圓形角焊補片和其他補焊對輸氣管道壓力能力和受影響截面可靠性的影響，目的是協同確定表面體積缺陷的可容許性和修復標準。開展了實地和評估活動，目的是確定可能與角焊補修理有關的不連續性的臨界水平。這些修復工作涉及與管道縱向的焊縫，這些焊縫在周向方向上產生高應力集中，而周向是正常操作下的最高應力方向。

 

2. 靜水壓力爆破試驗

對從24英寸埋地API 5LX52中移除的退役電纜束進行了7次全尺寸試驗。直徑7.15 mm厚，雙埋弧焊（DSAW）縫焊天然氣管道。這些區域可以追溯到20世紀60年代早期，包含了不同形狀的斑塊[12,13]。這些管道的長度在4到12米之間，都是根據在線檢查程序從管道部分移除的。所有有修復補片跡象的區域都被移除，并進行了靜水壓爆裂試驗。試驗管道的最高歷史使用壓力約為6兆帕。

表1總結了七項試驗的幾何和操作數據。表中定義了所分析的修復特征、爆裂壓力以及裂縫的類型和起裂位置。測試的API 5LX52管道的屈服應力為393 MPa，極限抗拉強度（UTS）為569 MPa，延性（斷裂伸長率）為28%。

被鑒定為3、5、6和7的管道有矩形的修復補片。管道1、2和4有圓形修復補丁。在六個案例中，測試導致了管道的斷裂和隨之而來的壓力下降，見表1。在另一種情況下，當壓力達到近14兆帕時，試驗被中斷，管道正在承受大的塑性變形。

在被測區域又進行了三次修理。其中兩種是 b 型全尺寸套筒鋼筋，即用兩個半圓形套筒焊接成長條狀，并在兩端環向焊接到管子上的修補。這些修補小于500毫米長，大約一半的最低推薦維持縱向應力由于收縮的環焊縫低于可接受的限制[10]。

第三次修理是在試驗期間進行的。它包括刨削一個4 mm深、100 mm長和80 mm寬的人工缺陷，然后使用手工AWS E8018，3.2 mm焊條進行焊接填充。為了減少焊接金屬收縮引起的過多熱量輸入和大應力的負面影響，制作了直焊縫。然后將焊接區域磨平至管道表面水平。

管子上裝有應變計。根據修復的特點和預計的斷裂起始位置，在每次試驗中放置3-4個應變片，放置在修復體內或修復體附近。圖3顯示了位于管道1中的兩個修理件的示例：一個圓形補片（修理件1A）和一個非常短的全包圍套管加強件（修理件1B），相隔45 cm。圖3還顯示了兩次維修中應變計的位置，在接線和安裝儀器之前。圖4舉例說明了5號管的試驗結果。顯示了測量點處的壓力與應變關系圖。

 

表1：修補片的幾何形狀和靜水壓爆破試驗結果

測量了安裝在管道中矩形補片內的殘余應力。由于其幾何形狀，這個補丁是最相似的一個產生在2002年在職骨折。在貼片表面切開一縱向2mm 的深槽后，測量了69微應變(10k6m/m)的弛豫。在凹槽深度為3 mm 時，測量了97微應變的弛豫。如果考慮相似的縱向和周向殘余應力分量，可以得到28mpa 的殘余周向殘余應力。這些殘余應力出人意料地低，不到管材屈服應力的10% 。

在管道上進行的試驗，包括兩次修理(圖3) ，在一個25毫米長的縱向裂紋擴展后結束，這個裂紋顯然是由建造或修理管道時鋼絲的摩擦引起的。圖5顯示了圓形補片和管道2中的焊接修復。在壓力接近13.72 MPa 時停止試驗。管道3中的方形補片雖然幾何形狀不好，但沒有失效。最終的斷裂開始于一個小的腐蝕缺陷，位于貼片附近，但不在角焊縫的應力場內。圖6顯示了管道4(修理4A)中的圓形補片，以及結束試驗的斷口。同樣，斷裂的開始與修復無關。

在管道5中測試了兩種補丁。其中一個是長方形的，長750毫米，另一個是正方形的，長200毫米，相隔400毫米。斷裂是在大于12mpa 的壓力下，從位于1808年的一個小的腐蝕缺陷開始的。韌性剪切作用是破裂的主要原因。圖7顯示了管道6中的矩形補片及其儀表。圖8顯示了試驗結束時的斷裂情況。裂紋萌生發生在補丁的拐角處，靠近焊趾處。圖9(×5)顯示了斷裂的細節。

所有據稱被補丁覆蓋的缺陷區域的表面都進行了超聲測試，所有被覆蓋缺陷的臨界性按照 API RP 579[14]進行評估。表2顯示了管道和補丁的厚度，以及修復下管道表面預先存在的缺陷的尺寸。表2中還將安全系數定義為使用Rstreng方法[15]評估的爆破壓力[Pburst]與管道的最大允許工作壓力（MAOP）之間的關系（6 MPa）。表2的最后一列顯示，修復的缺陷在所有情況下都不重要。安全系數始終高于1.4，這個值現在被認為是合理維修的上限[14,16]。

 

 

3. 結果討論

記錄了在水壓試驗中施加壓力時管道和補片材料的縱向和周向應變和應力的變化。這些變量被認為是重要的：

·鋼筋幾何形狀引起的應力集中

·彈塑性變形與外加內壓的關系

·塑性首次出現

·破裂壓力和類型（塑性坍塌或脆性斷裂）。

所有破裂均發生在高于12MPa的壓力下，接近管道最大允許壓力的200%。在所有壓力為10 MPa的試驗中，管壁的廣義屈服（通過增加進水流量來確定）。當使用von Mises準則計算時，這是與材料屈服應力相對應的屈服壓力，所以現在稱之為Pyield。與補片焊縫相鄰的管道材料中的壓力-周向應變曲線顯示，在壓力為6至8 MPa時，斜率的彈性-塑性變化。最小屈服壓力出現在矩形和圓形補片的焊縫附近。

管道中的平均縱向應變是周向應變的三分之一，只有當壓力達到Pyield且管道材料發生廣義屈服（10mpa）時才顯示屈服。在壓力達到管道屈服點（10 MPa）之前，修復材料中的應變相對較小，無論是圓形還是矩形。

內壓的進一步增加會引起斑塊外表面應變的降低，這也會導致壓縮。這些貼片在縱向和周向上都會發生變形。這是由于彎曲應力造成的，這種應力傾向于使補片在與管道曲率相反的方向彎曲。只有一小部分管道應力傳遞到補片上，因此即使在管道材料屈服后，補片也會承受較小的彈性應變。管道屈服后，補丁開始在其外表面被壓縮。補片外表面的壓應力轉化為內表面的牽引力，但這當然無法通過實驗驗證。管在與管表面接觸的補片表面屈服后，補片中的最大應力不斷增大。

 

縱向和周向應力，Sl和Sc，由周向應力的值獲得，?circ，縱向的，?long，應變，用虎克定律計算平面應力。以圖10和11為例，說明了管道4和5中應變計的Sl和Sc隨試驗壓力的變化。在插圖中，顯示了管道中存在的修復草圖，以及應變計的位置和方向?？紤]了線彈性行為，因此，曲線只有在屈服點以上才有效。當這兩個應變分量在某個確定點不可用時，應使用遠離應力集中器的位置的標準。鑒于Sl=Sc/2，von Mises等效應力為Svm=0.87Sc。

10 MPa的屈服壓力由應變計偏離線性定義。根據Barlow公式和平面應力Von Mises方程，計算出365mpa的屈服應力，比管材的屈服強度小7%。這種差異是由于管道中的制造殘余應力、軋制和縫焊造成的。冷脹DSAW管通常具有周向殘余應力的全厚度彎曲分布，在管表面的最大屈服強度約為10%。

值得注意的是，唯一直接影響斷裂起始的補片是pipe6上的補片，這是一個又長又薄的矩形補片，類似于2002年失敗的補片。所有其他的補片，無論是矩形的還是圓形的，都沒有表現出足夠嚴重的不連續性，而失效是由其他缺陷引起的。圖8和9顯示了在靠近焊趾（位置1）的管道6中補片拐角處發生斷裂的情況。在這里，我們可以看到一個面狀的斷裂面，垂直于管道表面，這表明脆性快速斷裂。隨后，斷裂面變得不那么起皺，在距管道表面458處傾斜，表明典型的延性裂紋擴展。隨著裂紋的增長，裂紋逐漸遠離焊趾。在縱向焊縫中心附近產生第二次起爆。與所有測試管道一樣，由于斷裂區域的失水導致快速減壓后，會產生裂縫止裂。

補片材料上的殘余應力是在補片的安裝和焊接過程中產生的。這些應力是由于熔池在冷卻時收縮而產生的。其第一個組成部分是焊接殘余應力?res。這可能具有非常高的縱向和周向值，但應力在焊趾附近非常局部化。其全厚度分布是自平衡的（如彎曲）。第二個分量是約束應力?emb，它只在高度約束條件下焊接時出現，當補片材料不能自由變形或移動以適應焊接收縮時。如果補片足夠有彈性，焊接收縮產生的應力較小。所以補片越窄越厚，?emb就越大。

在這段6號管中測得的殘余應力，在幾何形狀方面最為關鍵，出乎意料地低。影響semb的另一個主要因素是焊接補片時管道的內部壓力。如果安裝補片時，管道在MAOP附近受到足夠大的壓力，則由于包含補片的管道收縮，補片材料承受的大部分應力都會松弛。如果安裝壓力較低（小于一半MAOP），則即使在管道完全減壓后，補片仍保持張緊（由于應力）。

所有靜水壓試驗中的失效壓力遠高于2002年失效時補片內的壓力。這一結果適用于不同形狀和尺寸（介于150和750 mm之間）的補片。另一方面，所有這些維修都有一些共同的特點：

·補片中的約束殘余應力較低。

·補片只占管道材料應力的一小部分。

·盡管某些焊縫的表面狀況較差，但在焊縫中未發現可能導致裂紋萌生的缺陷。

補片中殘余應力和工作應力低以及爆破壓力高的原因可以從以下特征的組合中找到：

·最初用補片修復的缺陷尺寸較小，現在它們的失效壓力（大于1.4maop）不需要修復。

·補片可能與管道一起放置在顯著的壓力下（大于0.5 MAOP左右）。最近的實驗和數值結果表明，修復過程中的應力與修復過程中的壓力和隨后的操作壓力之間的差值成正比。

·焊接電極和焊接程序中使用的補片是適當的。

試驗結果表明，如果補片焊接得當，用于修補不重要的缺陷，則補片在低于MAOP的壓力下不會失效的可能性很大。請注意，在2002年和這些測試中失敗的補丁是長而窄的（形狀因子為3）。因此，有必要特別注意所有先前存在的具有類似幾何特征的斑塊。

 

表3：舊修補補片臨界因子線性求和：0，最小值；5，最大值

一個合理的幾何參數是確保任何留在直線上的貼片在圓周方向上具有最大的尺寸。這將確保在管道應力較大的方向上有足夠的靈活性。還需要消除所有具有尖角和缺口的補片，這將產生強烈的幾何應力集中區。同樣，這些因素早就被認識到了，目前涉及補片的修復程序建議使用橢圓補片，其最長邊位于圓周方向。

由于內部壓力，高壓下焊接的補片幾乎不能有效地承受大部分荷載，在這種情況下，補強件是無用的，因為它不能顯著降低缺陷區域管道材料的應力。如果補片下的缺陷足夠深，則可能發生氣體泄漏，同時補片與管道之間的間隙也會相應增壓。在這種情況下，補片和補焊附近管道中的應力水平將顯著增加，因此失效的風險將大大增加。2002年的故障并非如此，因為缺陷雖然比現在研究的缺陷深得多，但不能產生氣體泄漏。

4. 在運行管道中對修復補丁進行排序

根據前面的討論，得出的結論是，可能對管道完整性產生更高風險的修補程序具有以下特征：

1.它們與管道一起放置，壓力不到半MAOP。

2.放置它們是為了修復一個大尺寸的、深度超過40%標稱管道厚度的缺陷。

3.它們是矩形的，大約是寬度的兩倍。

4.焊縫質量差或可疑，例如，沒有可用的程序或NDT記錄。

來自在線檢查（ILI）工具的信息不允許評估維修中使用的焊接質量，也不能確定進行維修時的壓力。一般來說，ILI信息不允許定義缺陷的實際大小，而缺陷的大小正是促使補丁配置的原因。因此，根據ILI報告的數據，在上述四種臨界狀態中，第三種是唯一可以評估的。

通常情況下，管道操作員無法立即替換管道中檢測到的所有修補程序。因此，可以建立一個優先標準。表3總結了影響焊接到天然氣管道上補片可靠性的因素。如果可以獲得每種情況的可靠數據，表中每行的總和將允許定義每個補丁的風險指數，從最小值0到最大值5。

5. 結論

對有舊修補補片的管道進行了7次全尺寸水壓爆破試驗。評估了尺寸在150至170mm之間的兩個矩形、兩個方形和三個圓形補片、兩個非常短的B型全包圍套管補強件以及一個人工缺陷的焊接修復。貼片內部和周邊的大部分高應力區域都安裝了應變計。試驗后分析了補片下預先存在的缺陷的尺寸和特征。

所有破裂都發生在管道屈服后，壓力是最大允許工作壓力的兩倍。唯一引發斷裂的補片是長方形的，又長又窄，類似于2002年導致天然氣管道故障的補片。最初由修補程序修復的缺陷在所有情況下都不是關鍵的，目前的標準不建議對其進行修復。

分析的維修的低關鍵性是由于以下特征的組合：

1.修復的缺陷尺寸較小。

2.補片可能是在管道受壓的情況下安裝的。

3.采用了正確的焊接程序。

分析表明，最危險的補丁是：

1.安裝時燃氣管道減壓或處于非常低的壓力下。

2.是為了修復一個又大又深的缺陷。

3.是長方形的，又長又窄。

4.沒有使用可靠的程序進行焊接。

在上述四種情況中，根據ILI報告的數據，僅能評估第三種情況。

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