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近年来,我国输油管道上的打孔盗油案件频繁发生。对被打孔的管道,必须采用焊接方法抢修。现场抢修有两种修复方式,一种是"扣帽子",一种是"补板"。本文旨在提出打孔管道修复后的安全性以及剩余寿命评价方法,为打孔管道的修复及其安全运行提供依据。
根据对打孔盗油管道的现场调查,将管道打孔区分为单开孔和密集开孔情况。分别完成了单开孔情况的"扣帽子"和"补板"修复结构、密集开孔情况的2接管和5接管修复结构的全尺寸疲劳与爆破实验,测量了修复结构中的应变分布。结果表明,各种修复结构的屈服极限压力和爆破压力比较相近,均低于但接近于相同材料的完好管道的理论计算值,其原因是因为管道材料有较好的延展性;爆破是由于最大剪应力的韧性过载引起的韧性破坏;单孔管道的破裂位置均远离焊接结构处,多孔管道的爆破发生在两接管之间;考虑到补板对小孔处的变形有较强的约束作用,从结构性能上考虑,补板结构稍优于接管修复结构。
对单孔和密集开孔管道的修复结构建立了有限元模型。计算结果表明,焊接管帽或补板导致了管道上应力的不均匀分布。并在管道轴向区域发生鼓胀,管道外壁的最高应力也出现在接管、补板与管道交界区域。以上两处成为管道的相对薄弱部位。在有限元分析的基础上,优选了焊接管帽和补板的尺寸。对于接管修复,应尽量选取外径较小、壁厚等于或略大于管道壁厚的接管;对于补板修复,应选取边长相对较大、壁厚等于或略大于管道壁厚的补板;对于多接管修复,接管数量对于修复效果的影响不很明显。
采用雨流计数法对输油管道载荷历程进行循环计数分析,并编制了计算软件;对收集到的东临输油管道复线的历年运行压力记录数据进行了雨流计数分析,得到了载荷循环次数等参数,此数据可以用于输油管道的疲劳寿命预测;并以全尺寸疲劳载荷试验以及管道材料的高周、低周疲劳和疲劳裂纹扩展试验为基础,预测了输油管道及其焊接修复结构的疲劳寿命。
用钻孔法分别对打孔管道的几种不同焊接修复结构测试了残余应力,并和管道螺旋焊缝处的残余应力做了比较。测试结果表明,焊缝近处存在残余应力,且距焊缝越近,残余应力越大。管道修复结构中的残余应力的第一主应力多为拉应力,其最大值为管材屈服极限的70.94%;管道螺旋焊缝处的残余应力的第二主应力为压应力,其最大值约为管材屈服极限的74.66%。同时在焊接接管的根部存在较大的残余应力。