一种油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法

摘要

本发明公开了一种油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法，属于油气输送管道领域。本发明的油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法，在弯曲载荷作用下角焊缝上的等效应力水平，以完整管道及环焊缝所能承受的外部载荷为依据，保证修复后B型套筒角焊缝能够承受相同的外部载荷而不发生破坏，确定B型套筒长度的第一范围；基于避开环焊缝和角焊缝的焊接热影响区宽度确定B型套筒长度的第二范围；将第一范围和第二范围的交集作为B型套筒的最终长度；本发明解决了现有标准对B型套筒长度要求不统一的问题；按照本方法所确定的B型套筒长度，能够解决B型套筒服役过程中局部应力集中的问题，保证管道服役安全。

说明书

技术领域

本发明属于油气输送管道领域，尤其是一种油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法。

背景技术

B型套筒是当前所有标准公认的油气管道管体及环焊缝缺陷永久性修复方式。参见图1，B型套筒2由两个半圆管筒通过焊接组成，其中两个纵焊缝3通常通过单V型坡口焊接在一起，两个端部通过角焊缝4与待修复母管1焊接在一起。相对于另一种公认的永久性修复方式—换管，B型套筒可以在役带压焊接，不用放空，大大降低对管网运行的影响，作业时间、维抢修成本等优势十分明显，一直是管道维抢修的主要方法。

B型套筒修复为在役焊接修复方式，需要在在役管线上动火，会出现烧穿(对于壁厚在6.4mm以下的管道)、B型套筒角焊缝延迟裂纹等风险。在B型套筒修复中面临的主要问题为角焊缝焊后出现裂纹，仅2019年收集到10余例B型套筒角焊缝开裂案例。失效案例分析结果表明当前B型套筒焊缝裂纹属于延迟裂纹，主要与套筒结构尺寸设计不合理引起的安装应力和焊接残余应力以及焊接预热后热工艺不到位有关。

国内外的B型套筒相关文献及研究报告主要以B型套筒焊接工艺，焊后残余应力以及B型套筒修复相关实物试验等为主，针对B型套筒结构设计的研究较少，特别是对于B型套筒长度的确定，缺乏相应的理论依据，没有形成统一的设计准则。B型套筒长度作为其结构的重要几何尺寸，目前各标准规定不统一，最严苛的标准认为长度需要大于2倍的待修复管道外径，部分标准规定大于1倍的待修复管道外径，部分规定最短达到150mm即可。因此给现场施工造成了极大的困扰，如考虑最严苛情况，以西二线为例，其干线修复用套筒长度将达2.4m，按50mm壁厚计算，重量达到约3.5吨，这不仅极大增加了焊接工作量，而且套筒作为局部集中载荷作用于管道上，将对管道长周期服役造成未知影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的设计B型套筒长度过长会造成管道上局部载荷集中的缺点，提供一种油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法，在弯曲载荷作用下角焊缝上的等效应力水平下，以管道和环焊缝所能承受的外部载荷为依据，求取B型套筒长度的第一范围，所述第一范围满足B型套筒的角焊缝承受相同的外部载荷而不发生破坏；

基于管道环焊缝和套筒角焊缝焊接热影响区，求解B型套筒长度的第二范围，所述第二范围能够避开环焊缝和角焊缝的热影响区；

将第一范围和第二范围的交集作为B型套筒的最终长度L。

进一步的，求取B型套筒长度的第一范围包括以下步骤：

1)利用有限元方法建立服役条件下的含环焊缝管道的有限元模型；

2)在管道的有限元模型上施加内压和弯曲载荷，直至管道环焊缝上最大等效应力S

3)利用有限元方法建立安装有B型套筒的管道有限元模型；

4)将所述弯曲载荷施加到安装有B型套筒的管道有限元模型上，在载荷及边界条件完全相同的条件下，计算B型套筒角焊缝上应力值及分布情况；

在200～800mm的范围内，取一系列B型套筒长度L值，计算B型套筒角焊缝上对应的应力分布情况；

5)提取B型套筒不同长度时对应的角焊缝应等效应力最大值，绘制B型套筒角焊缝上最大等效应力随长度变化曲线；

6)基于所述B型套筒角焊缝上最大等效应力随长度变化曲线，在角焊缝上的等效应力不高于预设值的条件下，按照B型套筒长度对角焊缝上应力水平影响规律，确定B型套筒长度的第一范围。

进一步的，步骤1)中建立服役条件下的含环焊缝管道的有限元模型，基于以下参数：

管道的几何尺寸以及材料参数、环焊缝几何尺寸以及材料参数。

进一步的，步骤3)中建立安装有B型套筒的管道有限元模型，基于以下参数：

管道的几何尺寸和材料参数、环焊缝几何尺寸和材料参数、B型套筒结构尺寸和材料参数。

进一步的，步骤6)中预设值为焊缝等效屈服强度的0.8倍。

进一步的，求解B型套筒长度的第二范围具体步骤为：

1)确定管道环焊缝热影响区的单侧长度L

2)确定B型套筒角焊缝热影响区的单侧长度L

3)确定B型套筒长度的第二范围L，L≥2×[L

进一步的，步骤1)中，L

其中，T

进一步的，步骤2)中，L

其中，T

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的油气管道环焊缝缺陷修复用B型套筒的长度确定方法，在弯曲载荷作用下角焊缝上的等效应力水平，以完整管道及环焊缝所能承受的外部载荷为依据，保证修复后B型套筒角焊缝能够承受相同的外部载荷而不发生破坏，确定B型套筒长度的第一范围；基于避开环焊缝和角焊缝的焊接热影响区宽度确定B型套筒长度的第二范围；将第一范围和第二范围的交集作为B型套筒的最终长度；本发明解决了现有标准对B型套筒长度要求不统一的问题；按照本方法所确定的B型套筒长度，能够解决B型套筒服役过程中局部应力集中的问题，保证管道服役安全。

附图说明

图1为B型套筒的结构示意图；

图2为B型套筒的剖视图；

图3为实施例的B型套筒角焊缝上最大等效应力随长度变化曲线图。

其中：1-管道；2-B型套筒；3-纵焊缝；4-角焊缝；D

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例

以西气东输二线规格为D1219 mm×18.4mm，X80钢级管道环焊缝修复为例，管道设计压力为10MPa，采用目前应用最多的Q345R材质B型套筒进行修复。

本发明所述第一个设计准则，步骤如下：

1)利用有限元软件建立含环焊缝管道的有限元模型，建立模型所需各项参数为：

管道外径1219mm、壁厚18.4mm、长度(半模型)12m，X80管道材料密度为7.8g/cm

2)在管道上施加10MPa内压载荷，同时施加弯曲载荷，当管道上最大等效应力S

3)利用有限元软件建立安装有B型套筒的管道有限元模型；

建立所需各项参数为：管道外径1219mm、壁厚18.4mm、长度(半模型)12m，X80管道材料密度为7.8g/cm

4)将步骤2)中计算得到的弯曲载荷，即最大位移载荷338mm施加到安装有B型套筒的管道上，在载荷及边界条件与步骤2)完全相同的情况下，计算获得B型套筒角焊缝上应力值及分布情况；

5)在200～800mm内，取一系列B型套筒长度L值，计算B型套筒角焊缝上对应的应力分布情况；

6)提取不同B型套筒长度计算所得角焊缝应等效应力最大值，并绘制B型套筒角焊缝上最大等效应力随长度变化曲线，如图3所示。

7)由图3可以确定，当B型套筒长度L在200～600mm内时，角焊缝上等效应力水平低于0.8σ

本发明所述依据第二个设计准则，具体步骤如下：

1)确定管道环焊缝热影响区长度，其单侧长度L

L

2)确定B型套筒角焊缝热影响区长度，其单侧长度L

L

3)在步骤1)和步骤2)基础上，确定B型套筒长度L：

L≥2×[4×T

4)按照本发明所述第二个设计准则，B型套筒长度L应大于等于373.3mm。

综合本发明所述两个设计准则，对于西气东输二线规格为D1219mm×18.4mm，X80钢级管道环焊缝修复，采用Q345R材质B型套筒进行修复，套筒长度应在373.3～600mm范围内选取。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。