田 野,趙 康,鄒 斌,李 坤,陳翠翠,白 強(qiáng),李 亮

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán) 西部管道有限公司，烏魯木齊 830013；2.中國石油集團(tuán) 工程材料研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

油氣管道存在多種失效模式，主要包括爆炸、斷裂、變形、腐蝕、外來機(jī)械損傷等5類[1]。其中，油氣管道的變形又可以分為地面位移引起的管道屈曲和過載引起的管道鼓脹、屈曲、伸長、凹坑等[2-3]。屈曲作為管道變形失效的重要形式，包括局部屈曲和整體屈曲兩類[4]，而導(dǎo)致管道發(fā)生局部屈曲的載荷通常有內(nèi)外壓力、軸向力、彎矩等[5-6]，管道細(xì)長、薄壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在受力和變形條件稍有惡化時(shí)就容易產(chǎn)生屈曲失效[7-8]，這一失效形式不僅可能發(fā)生在管道運(yùn)行期間，也可能發(fā)生在管道施工安裝的建設(shè)期間。

目前，針對埋地管道屈曲變形的研究主要集中在地層移動、沉陷等原因造成的屈曲變形，而針對管道施工安裝不規(guī)范引起的局部非均勻屈曲變形的研究和報(bào)道相對較少。柳春光等[9]采用等效彈簧邊界的方法分析了埋地管線在沉陷作用下的反應(yīng)規(guī)律；高惠瑛等[10]提出了場地沉陷作用下埋地管道狀況的分析方法；朱慶杰等[11]研究了場地條件和斷層參數(shù)對地下管道地震破壞的影響；康習(xí)鋒等[12]對濕陷性黃土穿越段管道的臨界載荷進(jìn)行了線性擬合，得到了屈曲臨界載荷的修正公式。本文針對甘肅某管線發(fā)生的局部非均勻屈曲失效，利用高精度光學(xué)測量系統(tǒng)和有限元模擬軟件，分析該彎管發(fā)生屈曲失效的原因。

1 概況

甘肅某天然氣管線在進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，發(fā)生了清管器卡阻現(xiàn)象，卡阻點(diǎn)位于某山丘的上坡段，山坡坡度約70°，管道敷設(shè)段為典型的黃土高原濕陷性黃土，坡上植被稀少，如圖1所示。經(jīng)過現(xiàn)場開挖檢查發(fā)現(xiàn)，清管器卡阻處的原彎管發(fā)生了變形，彎管6點(diǎn)鐘位置出現(xiàn)向內(nèi)凹陷，3點(diǎn)和9點(diǎn)鐘位置沿徑向向外突出，彎管整體處于彎折狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 清管器卡阻位置

圖2 屈曲變形彎管

建設(shè)期資料顯示，該管線于2011年建成，建成至今未進(jìn)行過清管作業(yè)，管線設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，線路用管均采用高頻電阻焊鋼管(HFW焊管)。本次發(fā)生變形的感應(yīng)加熱彎管埋深約1.2 m，規(guī)格為?219.1 mm×7.1 mm，鋼級為L245NB；兩側(cè)與該彎管相連的直管規(guī)格為?219.1 mm×6.3 mm，鋼級為L245NB。對變形彎管山坡上方(下游)的臨近管道繼續(xù)進(jìn)行開挖檢查，在開挖位置未再發(fā)現(xiàn)直管和彎管發(fā)生位移或變形的情況。

2 幾何尺寸與理化性能

現(xiàn)場對失效管段切割取樣，取樣管段上包含2個(gè)HFW焊管段(1#，3#)、1個(gè)感應(yīng)加熱彎管段(2#)和2條對接環(huán)焊縫。將失效管段的防腐層剝離后，發(fā)現(xiàn)2#彎管段結(jié)構(gòu)不完整，缺少右側(cè)直管段，不符合GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中“彎管兩端直管段長度不小于0.5 m”的要求，如圖3所示，推測是施工時(shí)為了便于安裝，將原彎管的右側(cè)直管段進(jìn)行了切除。對2#失效彎管段的長度和角度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示：不完整彎管的長度為680 mm，彎曲角度為30°。由此可知，失效前的原彎管角度小于30°。

圖3 現(xiàn)場切割的失效管段

采用Olympus 27MG超聲波測厚儀對失效管段壁厚進(jìn)行測量，測量結(jié)果為：1#和3#焊管段的壁厚為6.04～ 6.28 mm，符合GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》對高頻電阻焊鋼管壁厚的要求；2#彎管段外弧側(cè)壁厚為6.26～6.55 mm，內(nèi)弧側(cè)壁厚為7.98～8.47 mm，不滿足GB/T 29168.1—2012《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用感應(yīng)加熱彎管、管件和法蘭 第1部分：感應(yīng)加熱彎管》中對感應(yīng)加熱彎管最小壁厚的要求以及訂貨協(xié)議中對最大壁厚的要求。

采用某大學(xué)自行研制的高精度光學(xué)測量系統(tǒng)，對失效管段進(jìn)行外形輪廓測繪，結(jié)果如圖4，5所示。

圖4 失效管段凹陷位置測繪結(jié)果

由圖4可以看出，1#焊管段在3點(diǎn)鐘至6點(diǎn)鐘位置存在局部屈曲，屈曲長度約172 mm，屈曲最高高度約8 mm；2#彎管段最大直徑AB=270.31 mm，徑向變形量為23.37%。由圖5可以看出，2#彎管段最小直徑CD=148.49 mm，徑向變形量為32.23%。

圖5 失效管段拱起位置測繪結(jié)果

由于1#,3#HFW焊管段來自于同一生產(chǎn)批次，因此，僅對1#HFW焊管段和2#感應(yīng)加熱彎管段進(jìn)行理化性能檢測，其化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能檢測結(jié)果分別如表1，2所示，相關(guān)檢測結(jié)果均符合GB/T 9711—2017,GB/T 29168.1—2012要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 拉伸、沖擊性能檢測結(jié)果

3 管段屈曲變形的模擬計(jì)算

由宏觀檢查和幾何尺寸檢測結(jié)果可知，清管器卡阻管段發(fā)生了明顯的彎折和屈曲變形，而該處管段只有在受到彎曲載荷的作用才會形成類似的失效形貌。由理化性能檢測結(jié)果可知，清管器卡阻管段的理化性能符合GB/T 9711—2017，GB/T 29168.1—2012要求，因此，該處管段發(fā)生的變形與管材自身的質(zhì)量無關(guān)，而與管道承受的異常載荷有關(guān)。

根據(jù)清管器卡阻管段所處地形地貌，該處管段位于某山丘的上坡段，山坡坡度約70°，管道可能會受到兩種典型載荷的作用：垂直于管軸方向的外部載荷、平行于管軸方向的外部載荷。因此，采用有限元分析計(jì)算的方法，分別對上述載荷進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證這些載荷是否能夠使管道發(fā)生相似的屈曲失效，以找出導(dǎo)致管道失效的載荷因素。

3.1 有限元建模

根據(jù)失效管段的尺寸及走向建立有限元幾何模型，如圖6所示。參考鋼材的通用性能，模型中材料密度取7 800 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。彎管上游管段(1#管段)、彎管段(2#管段)、彎管下游管段(3#管段)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率均取拉伸試驗(yàn)實(shí)測值，在有限元計(jì)算時(shí)，上述名義應(yīng)力應(yīng)變值均轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。單元?jiǎng)澐秩鐖D7所示，1#和3#管段使用4節(jié)點(diǎn)殼單元，在2#彎管部位對單元進(jìn)行細(xì)化。

圖6 有限元幾何模型

圖7 管道單元?jiǎng)澐质疽?/p>

3.2 鋼管受垂直管軸方向外部載荷的模擬分析

在彎管上游管道端部施加固定約束，管道整體施加6.3 MPa的內(nèi)壓載荷，在彎管下游管道端部施加垂直于鋼管軸線的外部載荷，如圖8所示。

圖8 管道受垂直管軸載荷及其約束情況

在上述載荷作用下，通過計(jì)算可得管道上的von Mises等效應(yīng)力分布，如圖9,10所示；管道變形后的形貌如圖11,12所示。由圖9,10可以看出，整個(gè)管段在彎管內(nèi)外弧側(cè)以及靠近彎管的上游管段應(yīng)力水平最高，整個(gè)管道變形集中在彎管附近。對比圖4和圖11、圖5和圖12可以看出，有限元模擬管道受垂直管軸方向外部載荷作用的結(jié)果顯示，管道變形與失效試樣形貌吻合性較好。

圖9 垂直載荷作用下管道整體應(yīng)力分布

圖10 垂直載荷作用下彎管附近應(yīng)力分布

圖11 垂直載荷作用下管道凹陷位置變形模擬

采用相同邊界條件，假設(shè)管道上無內(nèi)壓載荷，僅在彎管下游管道端部施加垂直于鋼管軸線的外部載荷，管道凹陷位置的變形如圖13所示，其變形方式與存在內(nèi)壓時(shí)類似，因此無論管道內(nèi)部有無內(nèi)壓載荷，在垂直管軸方向的外部載荷作用下，均可形成與本次屈曲失效管段相似的變形形貌。

圖12 垂直載荷作用下管道拱起位置變形模擬

圖13 垂直載荷作用下管道無內(nèi)壓狀態(tài)的變形模擬

3.3 鋼管受平行管軸方向外部載荷的模擬分析

在彎管上游管道端部施加固定約束，管道整體施加6.3 MPa內(nèi)壓載荷，在彎管下游管道端部施加沿著鋼管軸線的外部載荷，如圖14所示。

圖14 管道受平行管軸載荷及其約束情況

在上述載荷作用下，通過計(jì)算可得管道上的von Mises等效應(yīng)力分布，如圖15,16所示；管道變形后的形貌如圖17,18所示。由圖15,16可以看出，整個(gè)管段在彎管內(nèi)弧測以及靠近彎管的上游管段12點(diǎn)位置(拱起方向)處應(yīng)力水平最高。對比圖4和圖17、圖5和圖18可知，管道在平行管軸方向的外部載荷作用下的有限元模擬結(jié)果與實(shí)際失效試樣形貌不相符，差異點(diǎn)主要體現(xiàn)在彎管上游管段發(fā)生局部屈曲的位置不相同。

圖15 平行載荷作用下管道整體應(yīng)力分布

圖16 平行載荷作用下彎管附近應(yīng)力分布

圖17 平行載荷作用下管道凹陷位置變形模擬

圖18 平行載荷作用下管道拱起位置變形模擬

如果彎管上游段管道土壤松動，管道在管土接觸面法向自由，則在相同載荷作用下，彎管處等效應(yīng)力和變形如圖19,20所示?？梢钥闯?，管道在平行管軸方向的外部載荷作用下，彎管下游管段12點(diǎn)位置發(fā)生了局部屈曲，而彎管上游管段未發(fā)生局部屈曲，管道變形形貌與失效試樣形貌仍然不相符。因此，無論彎管上游段土壤是否松動，管道在平行管軸方向外部載荷作用下，不會形成與本次失效試樣形貌相近的變形結(jié)果。

圖19 平行載荷作用下管道無內(nèi)壓狀態(tài)的應(yīng)力分布

圖20 平行載荷作用下管道無內(nèi)壓狀態(tài)的變形模擬

4 分析討論

4.1 符合性分析

由失效管段的幾何尺寸和理化性能檢測結(jié)果可知，1#和3#HFW焊管段的幾何尺寸和理化性能均符合GB/T 9711—2017要求，2#感應(yīng)加熱彎管段的理化性能符合GB/T 29168.1—2012要求，但其幾何尺寸不滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，依據(jù)GB/T 29168.1—2012和GB 50369—2006《油氣長輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，對于≥15°的感應(yīng)加熱彎管，完整的彎管應(yīng)包含2個(gè)直管段和1個(gè)彎曲段，且彎管端部應(yīng)保留不小于0.5 m的直管段，而2#感應(yīng)加熱彎管段只包含1個(gè)直管段和1個(gè)彎曲段(見圖6)，為建設(shè)時(shí)從完整彎管上截取所得，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 管道失效載荷來源分析

失效管段局部發(fā)生了明顯的屈曲變形，變形截面上部(彎管外弧側(cè))因拉伸而扁平，下部(彎管內(nèi)弧側(cè))因受壓而屈曲，結(jié)合有限元模擬結(jié)果，說明鋼管曾受明顯的垂直于鋼管軸線的載荷作用。該載荷可能來自于施工期間的外力作用，也可能來自于服役期地層移動。

查閱失效管段應(yīng)力及管土相對位移的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：自管線建成以來，管道的最大拉應(yīng)力監(jiān)測值為26.2 MPa，最大壓應(yīng)力監(jiān)測值為13.8 MPa，未出現(xiàn)較大的應(yīng)力變化；管土相對位移累計(jì)變化量監(jiān)測值穩(wěn)定在-1.6～0.5 mm，管道服役期間未發(fā)現(xiàn)明顯的地層移動。此外，失效管段及周邊的開挖結(jié)果也證實(shí)，失效管段及其周圍未發(fā)生地層塌陷。

綜合上述情況可知，施工期間的外力可能是導(dǎo)致本次管道失效的主要原因。

4.3 彎管結(jié)構(gòu)不完整對屈曲失效的影響

通過分析可知，彎管結(jié)構(gòu)不完整對屈曲變形并無直接影響。其主要影響在于：彎管結(jié)構(gòu)不完整，即所用彎角度小于彎管預(yù)設(shè)角度，在現(xiàn)場組對焊接時(shí)，將導(dǎo)致管道無法進(jìn)行敷設(shè)。為了便于安裝，現(xiàn)場可能存在強(qiáng)力組對的情況，在鋼管上施加彎曲載荷，從而導(dǎo)致管道發(fā)生彎折和屈曲變形。

5 結(jié)論和建議

(1)失效管段發(fā)生了明顯的彎折和屈曲變形，彎管段6點(diǎn)鐘位置出現(xiàn)向內(nèi)凹陷，3點(diǎn)和9點(diǎn)鐘位置沿徑向向外突出，彎管整體處于彎折狀態(tài)，彎管上游1#焊管段3點(diǎn)鐘至6點(diǎn)鐘位置存在局部屈曲現(xiàn)象。彎管段只包含1個(gè)直管段和1個(gè)彎曲段，結(jié)構(gòu)不完整，不符合GB/T 29168.1—2012和GB 50369—2014對彎管直管段的要求。失效管段的理化試驗(yàn)結(jié)果顯示，管材的理化性能符合GB/T 9711—2017和GB/T 29168.1—2012要求。

(2)施工期間可能存在垂直于鋼管軸線方向的外加彎曲載荷，這是導(dǎo)致該管線發(fā)生屈曲失效的主要原因。

(3)建議進(jìn)一步規(guī)范管線施工，保證彎管結(jié)構(gòu)的完整性，并避免施加外力強(qiáng)行安裝。