一种含腐蚀缺陷注汽管道补偿器弯管剩余强度评价方法 【技术领域】
本发明涉及一种稠油热采用含腐蚀缺陷注汽管道补偿器弯管的剩余强度评价方法。
背景技术
蒸汽吞吐和蒸汽驱技术是稠油开采的两种主要方法，这两种开采技术都需要通过地面注汽管道和井下注汽管柱连续地向地下注入高温蒸汽。在交变的高低温下运行条件下，注汽管道会产生伸长和缩短变形。为了消除这种伸缩变形产生的应力，在注汽管道设计施工过程中，通常会在直线管段之间连接补偿器弯管，对管道轴向、横向的热变形进行补偿，保证管道的安全运行。
由于注汽管道高温高压(工作温度超过300℃，工作压力10MPa以上)的工作环境、蒸汽中腐蚀性离子浓度过大以及采油工艺的影响，使得注汽管道极易发生腐蚀损伤，特别是在注汽管道补偿器弯管部分，冲刷腐蚀更加严重，所受应力状态非常复杂，是整个注汽管网的薄弱环节。如果不及时对这种含腐蚀缺陷的补偿器弯管进行剩余强度评价，一旦发生失效事故，将造成停工停产等巨大经济损失，甚至人员伤亡等恶性事故。
国际上从20世纪70年代初开始进行含腐蚀缺陷管道的剩余强度评价方法研究，目前形成了ASME B31G(1991)、CAN/CSA Z144-M86(1986)、DNV RP F101(1999)、API RP 579等标准和规范。我国在含腐蚀缺陷管道的剩余强度评价方法方面也颁布了两项行业标准SY/T6151-1995和SY/T6477-2000。
然而，现有的标准和规范主要集中在直管的剩余强度评价方法上，不涉及弯管的剩余强度评价方法。而且，在内压的作用下弯管的应力状态与直管有着本质不同，现有的标准和规范不适用于弯管的剩余强度评价。并且，目前针对弯管的研究工作，主要集中在弯管应力状态的分析上，对于弯管安全状态的评价，则未见报道。
【发明内容】
本发明的目的是设计一种针对含腐蚀缺陷注汽管道补偿器弯管的剩余强度评价方法，解决现有的剩余强度评价规范不适用于弯管的问题，填补管道剩余强度评价方法在弯管评价方面的空白。
含腐蚀缺陷补偿器弯管的剩余强度评价步骤简述如下：
1、在内压的作用下，弯管的应力状态与直管的有着本质上的不同，因为它是一个由双重曲率所限制的壳体。研究以任一半径弯制成的曲管中的一个单元面，如图1。如果忽略作用在此单元上的力矩，则根据拉普拉斯方程(Laplace Equation)，可以写出如下关系式：
N1/ρ1+N2/ρ2＝p (1)
式中N1和N2——表面切向上的最小及最大作用力值；
ρ1和ρ2——最小和最大的主曲率半径；
p——内压值。
求位于θ角的弯管断面上任一点的两个主曲率半径值，如图2所示。第一曲率半径就在弯管横断面的中心；而第二曲率半径的中心在所研究的法线与圆环面轴线的交点处
ρ1＝r，ρ2＝r+R/sinθ (2)
式中R——弯管轴线的弯曲半径
r——弯管半径
将求得的值代入表达式(1)得
N1r+N2r+R/sinθ=p---(3)]]>
为了简化计算并且具有足够的实用精度。我们认为：弯管中的纵向应力与直管中的应力是相同的，即N2＝pr/2。将N2值代入表达式(3)中有
N1r+pr/2r+R/sinθ=p---(4)]]>
对N1解方程(4)得
N1=pr22R+rsinθR+rsinθ---(5)]]>
对于应力，我们得出求算内压作用下弯管中应力近似值的最终表达式
σ=prt2R+rsinθ2(R+rsinθ)---(6)]]>
在此公式中pr/t是直管中的环向应力值σh，而表达式表示弯管和直管相比时应力的变化。
2、截面趋圆化对弯管应力的影响
大量弯管是由直管弯成的，在弯管过程中，除壁厚发生变化外，同时在横截面上会产生一定的椭圆化，在仅有内压作用时由于压力力图使截面回复为圆截面，而使管横截面厚度方向上产生附加轴力和弯矩。在分析计算过程中，对级数展开后的高次项作为省略简化处理，得到由于椭圆化所造成的附加力矩
M=p8Dm2αcos2θ---(7)]]>
其中椭圆度
α=2(a-b)a+b]]>
由于壁厚相对弯曲半径来说要小得多，可认为附加应力在管壁上沿径向线性分布，当R/rm＞＞1时，假定椭圆弯管和直椭圆管的附加应力相同，则该弯矩在管壁上引起沿径向线性分布的附加正应力为
σb=34pDm2αt2t/2-xt/2---(8)]]>
由于内压的作用，椭圆截面地长轴有变短，短轴有变长的趋势(趋圆性)，故应力状态如图3。所以椭圆弯管应力可表示为
σθ=prt2R+rsinθ2(R+rsinθ)-34pDm2αt2cos2θ·t/2-xt/2---(9)]]>
x为横截面应力点到中性轴的距离。
3、璧厚变化对弯管应力分布的影响
直管弯曲制成弯管，由于塑性流动大，各点壁厚发生变化。具体表现为外弧区减薄，内弧区增厚。假定壁厚变化全部由轴向变形补偿，则任意点的壁厚与该点的弯曲半径成反比，即
tθt=1R+rsinθ1R=RR+rsinθ]]>
tθ=RR+rsinθt---(10)]]>
将上述璧厚公式代入式(9)
σθ=prt(2R+rsinθ2R)-34p(2r)2(R+rsinθ)2α(Rt)2cos2θ·t/2-xt/2---(11)]]>
当R＞＞r时，上式简化为
σθ=prt-3pr2αt2cos2θ·t/2-xt/2---(12)]]>
由于环向应力总比轴向应力大1倍还多，弯管的强度主要是由环向应力决定的。因此，本文提出的公式是适用于带椭圆度弯管的应力计算的。鉴于实际中的弯管并非是一个真正的椭圆截面，使得外弧线处的环向应力降低，壁厚修正又使外弧线的应力升高，故可近似认为壁厚的影响与非椭圆效应相抵消。所以，在确认弯管外弧线环向应力最大的前提下，弯管的最大应力可写成
σθ=prt+3pr2αt2---(13)]]>
4、腐蚀缺陷对剩余强度评价结果的影响
前文讲述了完整弯管的环向应力计算方法，对于含有腐蚀缺陷的弯管，需要对相关的参数进行调整。研究发现，用包含腐蚀长度的壁厚t′来代替原来公式中的t，则其结果将更为合理。t′的表达式为
t′=t-d1-dt1+0.8(LDmt)2=kt(t-d)kt-d---(14)]]>
其中，d是腐蚀缺陷深度，Dm管道平均直径，L是腐蚀缺陷长度。在实际工程应用时，L可以取做弯头外测圆弧的长度。其中，
以(14)式t′的代替(13)式中的t，得到腐蚀缺陷厚弯管的周向应力σ′θ为
σ′θ=prtktk-dt-d+3pr2α(tk-d)2[(t-d)tk]2---(15)]]>
5、弯管剩余强度评价方法建立
以σ′θ＝[σ]t为弯管失效条件，可得到含腐蚀缺陷弯管的极限承压能力的估算公式为
plimit＝[σ]t/(rη+3r2αη2) (16)
式中，[σ]t为在补偿器运行温度下材料的许用应力。
公式(16)即为含腐蚀缺陷注汽管道补偿器弯管的剩余强度评价公式。若极限承压能力大于等于工作压力，则管道处于安全状态；若极限承压能力小于工作压力，则管道处于不安全状态，需要降压运行或维修缺陷。
本发明基于静力平衡理论、依据拉普拉斯方程，研究了弯管的环向应力分布特征，建立了科学准确的含腐蚀缺陷注汽管道补偿器弯管剩余强度评价方法。在剩余强度评价方法建立过程中，考虑了弯管由直管制造过程中管道横截面产生的椭圆化，严密分析了内压作用下椭圆截面的趋圆化对弯管产生的附加弯矩和附加应力，并考虑了弯管制管过程中的壁厚变化对弯管应力分布的影响；通过对管道壁厚的修正，解决了腐蚀缺陷造成的应力集中问题，从而建立了符合工程实际的含腐蚀缺陷补偿器弯管的剩余强度评价方法。并利用加工有腐蚀缺陷的补偿器弯管进行了全尺寸静水压爆破试验验证，结果表明该方法具有较高的工程实用价值和合理的安全可靠度。
【附图说明】
图1弯管的旋转薄壳力学模型曲线管子的单元面
图2弯管的旋转薄壳力学模型弯管断面
其中：N1和N2——表面切向上的最小及最大作用力值；ρ1和ρ2——最小和最大的主曲率半径；
p——内压值；R——弯管轴线的弯曲半径；r——弯管平均半径；
【具体实施方式】
下面结合具体实例对本发明作进一步的说明。
对在役含腐蚀缺陷的补偿器弯管进行剩余强度评价，方法如下：
(1)测量补偿器弯管的规格与腐蚀缺陷几何尺寸；
(2)测量补偿器管材在工作温度下的抗拉强度、屈服强度，即材料的应力应变曲线；
(3)根据补偿器规格、缺陷的几何参数、管材的力学性能建立补偿器安全运行的极限状态方程；
(4)利用材料在不同温度下的力学性能，计算当前运行环境下补偿器的承压能力，判断补偿器的安全状态。
实施例1
(1)测量补偿器弯管的规格与腐蚀缺陷的几何尺寸，测量管材的抗拉强度与屈服强度，计算管材的流变应力。结果如表1所示：
表1 试验管样相关参数
缺陷深度 (mm) 缺陷长度 (mm) 椭圆度 壁厚 (mm) 平均管径 (mm) 平均半径 (mm) 流变应力 (MPa) 3.01 70.40 0.001 10.86 103.14 51.57 410
需要注意的是，在计算爆破压力时，并没有采用材料的许用应力，而采用的是管材的流变应力。这是因为，许用应力不是材料的固有属性，许用应力是材料在不同形状、不同工作环境中的极限强度的反应。而管段爆破过程中发生了塑性变形，故采用管材的流变应力作为材料的强度极限，计算弯管的最终爆破压力。
(2)补偿器弯管承压能力计算
将表1中的数据代入如下公式，计算弯管的承压能力
plimit＝σf/(rη+3r2αη2)
式中，plimit——弯管的极限承压能力；
σf——管材的流变应力；
r——弯管的平均半径；
α——弯管的椭圆度；
η——中间变量，
式中，t——管道壁厚；
d——缺陷深度；
k——中间变量，
式中，L——缺陷长度；
Dm——弯管的平均直径。
(3)全尺寸水压爆破试验
为了对补偿器弯管剩余强度评价公式进行验证，采用全尺寸爆破试验确定管道的实际爆破压力，与采用公式得到的计算极限压力进行对比，试验过程加载情况如图3所示。结果如表2所示。
表2 管样爆破压力试验值和理论值
从表2中可以看出：管样爆破压力理论值小于实测值，这说明本文提出的公式具有一定的保守性，这在工程上是偏于安全的。实测值与理论值相比，理论值较小，误差为24.7％，这种误差还是可以被工程接受的。鉴于实际中的弯管并非是一个真正的椭圆截面，使得外弧线处的环向应力降低，壁厚修正又使外弧线的环向应力升高，故可近似认为壁厚的影响与非椭圆效应相抵消。因此，本发明建立的含腐蚀缺陷注汽管道补偿器弯管剩余强度评价方法是准确可靠的。