竹渠线鼓泡缺陷分析及安全对策研究

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输送含硫化氢天然气的管道在受到电化学腐蚀外,还可能发生氢鼓泡、氢诱发裂纹(HIC)、氢脆以及硫化物应力腐蚀开裂(SSC)等,从而大大增加了管道系统的安全环保风险。竹渠线曾经长期输送湿天然气,含硫量达7.2g/m3,智能检测与现场开挖表明,近几年管道腐蚀程度、数量增加明显,内壁存在较多的鼓泡。针对鼓泡缺陷,采用实验分析与理论研究相结合的方法,开展鼓泡缺陷的形成机理与影响因素分析,建立有限元模型和可靠度计算模型,结合爆破试验数据,分析评价方法的正确性和适应性,并提出合理、有效的天然气管道安全管理建议措施,具体内容如下:1.结合竹渠线智能检测数据和现场开挖宏观检查情况,统计分析管线内壁鼓泡缺陷形状、大小、分布规律。鼓泡隆起主要发生在壁厚6.5mm处,为原壁厚值的一半,鼓泡缺陷沿管道内壁四周随机分布,大小不一,直径与高度分别在40mm和20mm以内,且近似半球型。2.对竹渠线取样进行理化实验,综合分析管道鼓泡缺陷的失效机理及影响因素。研究表明,与普通管道氢鼓泡形成原因不同的是,竹渠线由于早期钢材轧制技术水平限制,管材存在明显的中心偏析,引起组织与夹杂的偏聚,成为氢原子渗透并聚集的形核。鼓泡缺陷的形成受到材料组织、加工性能、介质H2S浓度、pH值、温度、介质中阴阳离子及应力等因素的影响。3.基于静水试压试验规范,分别对有、无鼓泡管段取样进行爆破试验,获取直接的破坏压力,为鼓泡缺陷管道的有限元分析、可靠性评价提供基础参数。试验表明,鼓泡缺陷削弱了管道的强度,爆破压力降低。4.根据竹渠线管材实验与现场检测结果,建立鼓泡几何模型和单个、相邻鼓泡的三维有限元模型,并利用ANSYS软件进行计算。根据第四强度理论及失效判据,计算管道爆破压力,并与试验爆破压力比较,验证了有限元模型与计算的正确性;利用管段试验爆破压力,计算得到竹渠线取样管段内不同高度鼓泡的实际泡内压力,以及竹渠线能承受的安全运行压力为4.7MPa。5.有限元分析表明,鼓泡缺陷导致应力集中,最大Von Mises应力分布在鼓泡的内部上下层结合边缘处;距离较近的相邻鼓泡间会产生应力集中,间距相同的情况下,轴向分布的鼓泡缺陷导致的应力集中最大,其次为45°分布的鼓泡,环向分布的鼓泡缺陷应力集中最小。6.在合理确定竹渠线管材爆破试验压力、缺陷Von Mises应力的基础上,引入偏差系数,建立基于正态分布函数表征的可靠度计算模型,确定了管材屈服强度条件下缺陷管道的最小可靠性系数为1.67,安全等级为“低”。7.根据竹渠线管道特点,结合其缺陷检测、有限元分析、可靠性评价结果,在分析其现状的基础上,提出管线安全生产管理合理对策,制定的换管、控制管线运行压力、加密缺陷检测与评价周期等措施具有针对性,符合现场实际情况,可有效提高竹渠线的安全运行水平。
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