陶建中 程磊

国家管网集团西部管道公司新疆输油气分公司

摘要：为分析纤维复合材料对管道环焊缝的补强效果，基于远场应力检测、矫顽力测量技术对补强前后的环焊缝分别进行应力检测。分析了补强前后应力分布和最大应力值，考察了纤维复合材料对管道含缺陷环焊缝的补强效果。结果表明，以远场应力检测分析，纤维复合材料补强效果有限；以矫顽力测量分析，各处环焊缝应力明显降低至许用应力值以下，补强效果显著。

关键词：管道；环焊缝；纤维复合材料；焊缝补强；矫顽力；应力

在役管道通过开展环焊缝全面检测，发现环焊缝缺陷部位，采取修复补强措施，消减环焊缝质量风险。笔者基于远场应力检测、矫顽力测量技术分析了纤维复合材料对焊缝的修复补强效果。

1  纤维复合材料补强技术

纤维复合材料补强技术主要利用纤维材料的高强度特性，用黏结树脂在服役管道外包覆一个复合材料补强层，以恢复含缺陷管道的服役强度。其优点是不用进行管道焊接，避免焊穿和发生氢脆、冷脆的可能，极大地降低了操作风险，并且可以对管道进行带压修复，保障管道不间断运行。

2  远场应力检测技术

2.1  远场应力检测

（1）检测原理。远场应力检测是针对具有一定埋深的、受地磁场磁化的铁磁性管道开展的。管道处于微弱的地磁场环境中，管体局部应力状态的变化致使其磁化率发生改变，进而引起管道外一定范围内磁场的变化，如图 1所示。

图 1 管道局部缺陷的磁场强度变化

远场应力检测是利用金属磁效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法，无需对部件表面进行处理即可诊断铁磁性金属部件的应力集中区、微观缺陷和损伤等，是无损检测领域的一种新型检测手段（图 2）。

图 2 远场应力检测现场

（2）远场应力风险等级。远场应力风险等级如表 1所示。

2.2  焊缝补强效果远场应力检测

对西三线某管段45处缺陷环焊缝进行远场应力检测，其中4处焊缝已完成补强。焊缝补强时未进行管道压力调整。

分别进行焊缝补强前后应力检测，磁场曲线分布对比示例如图 3所示，补强前焊缝区磁场变化量较大，补强后磁场变化量有所降低，表明该处应力集中程度有所降低，可见在提高管道许用应力的同时一定程度降低了应力集中程度。

图 3 环焊缝补强前后远场应力检测结果示例

焊缝补强前后焊缝区磁场变化量及风险等级变化如表 2所示。对于焊缝区磁场变化量较小、风险等级较低的焊缝，补强后磁场变化量有所降低，表明该处应力集中程度有所降低，应力风险等级由二级降为一级。但焊缝区磁场变化量较大、风险等级较高时，尽管补强后磁场变化量有所降低，但应力集中程度仍较高，风险等级仍为三级，补强效果有限。

3  矫顽力测量技术

3.1  矫顽力与应力关系

矫顽力测量技术是一种焊缝在线应力测试技术，首先采用目标测试管材进行实验室应力与矫顽力标定试验，得到该钢材矫顽力与应力关系曲线，进而在现场开挖焊缝处进行矫顽力测量，得到其对应的环焊缝应力水平。

利用矫顽力测量仪分别测量X80试件在单向、双向拉伸状态下的矫顽力，同时使用电阻应变片测量应变，计算出对应的应力，每次从零载荷一直加载到试件拉断为止，重复试验10次，通过拟合10次试验数据得到矫顽力与应力的对应关系。综合考虑温度影响，获得不同拉力加载状态下温度对矫顽力测量的影响。最后通过修正给出图 4所示该钢材的标定关系曲线。

图 4 矫顽力与应力关系曲线

本测试管体钢材是X80钢，根据GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》规定，一级一类地区强度设计系统取0.80，西三线符合一级一类地区，许用应力可取公式（1）的应力值。

[σ]＝σs F＝555×0.8＝444 MPa         （1）

由图 4可知，对于X80钢，矫顽力值在0～10范围内时，管体处于安全模式，一级一类地区最大应力不超过444 MPa，对应矫顽力值应不超过10。当矫顽力值在10.0至11.5时，试件处于安全系数大于1的状态，最大应力不超过555 MPa。当矫顽力值大于11.5（小于16.0）时，矫顽力与应力关系曲线斜率变大，钢材进入强化阶段，处于危险状态。

3.2  焊缝补强效果的矫顽力测量

基于缺陷焊缝应力检测结果，采用矫顽力测量仪对西三线某作业区初次测量的34处环焊缝中轴向矫顽力和环向应力较大的10处环焊缝进行纤维复合材料补强前后的应力复测及对比。为确保测试合理和有效，采用统一测点距离和位置，如图 5所示测点布置。

图 5 测点位置示意图

测点位于管道外壁沿管流顺时针方向12点、3点、6点、9点钟位置4条母线上，每条母线布置5个测点，从上游到下游依次编号1－5，其中3号测点位于母线与焊缝的交点处，左右测点对称分布，每道焊缝测试数据量为40个。每个测点顺序测量轴向、横向矫顽力，其中，轴向矫顽力反映环向应力水平、横向矫顽力反映轴向应力水平，矫顽力与应力呈线性正相关。

轴向矫顽力和环向应力较大的10处环焊缝分别进行纤维复合材料补强前后矫顽力测量，示例焊缝其各时钟及测点位置测量结果如图 6所示。图中红线为环焊缝许用应力下矫顽力，蓝线为补强前矫顽力，橙线为补强后矫顽力。可见，补强前矫顽力较大，大都超过了许用应力下矫顽力，应力水平超过了其许用应力值，存在高安全风险；补强后应力水平均下降到许用应力以下，降低了管道安全风险，管道恢复安全运行状态。

图 6 环焊缝补强前后矫顽力示例

10处环焊缝纤维复合材料补强前后最大应力统计结果及数据变化如图 7所示，补强修复后各处环焊缝应力明显降低，且均在许用应力值以下，最大应力变化值﹣410 MPa～﹣170 MPa。可见，纤维复合材料补强可有效降低焊缝处最大应力，补强效果显著。

图 7 10处环焊缝补强前后最大应力数据

4  结论

（1）经远场应力检测结果分析，纤维复合材料补强技术可一定程度降低环焊缝应力水平，对于磁场变化量较小、风险等级较低的焊缝效果比较明显；对磁场变化量较大、风险等级较高的焊缝未能有效降低风险等级，其补强效果有限。

（2）经矫顽力测量结果分析，纤维复合材料补强技术可有效降低环焊缝应力至许用应力值下，补强效果显著。鉴于轴向矫顽力对应的管道环向应力并非环焊缝的主要风险，实践中需结合其他指标判定焊缝补强效果。

 

作者简介：陶建中 ，工程师，现任西部管道新疆输油气分公司副经理，主要从事管道管理工作。

通讯作者：程磊， 工程师， 主要从事管道管理工作。联系方式：18195867576，645854208@qq.com。