输油管道修复焊接结构残余应力测试

输油管道打孔盗油案件频繁发生，对于被打孔的管道，只能采用焊接修复的方法。一是在打孔的地方焊上一小截盗油支管封闭在里面，俗称“扣帽子”；二是在被打孔的管道外表面焊上一小块补板，这种方法需要将盗油分子焊接在管道上的盗油支管完全从根部处清除。

而焊接过程中会产生大量的残余应力，当管道运行时，工作应力和残余应力相叠加，会提高管道实际受力水平，降低承载能力，尤其是在焊缝和热影响区等局部高应力极易产生疲劳破坏、应力腐蚀开裂和氢致开裂，严重影响管道的正常工作，缩短管道的服役寿命，甚至造成严重事故。

为了了解管道修复中焊接残余应力对管道完整性的影响，采用盲孔法分别对“扣帽子”和“补板”两种焊接结构进行残余应力测试，并与管道螺旋焊缝处的残余应力进行对比，为打孔盗油管道修复措施的合理性评价及修复后管道的安全评价提供依据。

试件情况介绍

为了取得可靠的数据，采用了某输油管线库存的φ630mm*8mm和φ711mm*10mm的管道，材质为16Mn。在管道上钻孔，然后按打孔盗油管道抢修时的修复工艺，在管道打孔处焊接管或“补板”。接管尺寸为φ159mm*6mm，高约200mm，材料为Q235。“补板”是从相同尺寸和材料的管道上截取的，尺寸为100mm*100mm*8.4mm。考虑到在打孔盗油活动频繁地区，存在密集开孔的情况，也制作了两个开孔较近的试件。

对这种管道材料进行了拉伸试验，以便得到管道材料的准确机械性能数据。材料的屈服极限为553Mpa，拉伸极限为653Mpa。

残余应力测试步骤

1. 打磨，输油管道由于生锈、腐蚀等原因，其表面会出现蚀坑，要将应变花贴牢于管道表面，必须进行打磨至看不见表面有细小划痕为止。

2. 清洗表面。打磨后的表面会留下一些细粉及其他杂质，用棉花蘸取丙酮溶液仔细擦拭，去除表面杂质，直至棉花上没有污迹。

3. 粘贴应变花。表面清洗完毕后，先将测点定位，再将应变花贴于清洗后的表面。

4. 连线并调零。用导线将应变花与JH-30残余应力测试仪相连接，注意每根导线的绝缘情况，待线路都接通后对残余应力检测仪进行调零。

5. 钻孔，用钻头对准应变花上的钻孔点进行钻孔，钻头直径为2mm，孔深至少为2.4mm。

6. 记录结果，钻完孔后，待应变仪上的读数较稳定时，即可读数并记录。

残余应力测试数据及结果分析

对φ630mm*8mm和φ711mm*10mm两种规格管道的不同焊接修复结构进行了多组残余应力测试，并对所有应变测试进行了温度补偿。

φ630mm*8mm管道接管

考虑到问题的对称性，仅选取结构的1/4布置测点，测点分别是在0°，45°和90°的方向上，测点1-6到焊缝根部的径向距离分别为10，11，28，29，29，59mm。从测试结果可以看出，近焊缝点1-3的残余应力明显大于离焊缝较远的4-6点，最大拉应力在3点，最大压应力在4点。

管道补板

管道补板分φ630mm*8mm和φ711mm*10mm两种。φ630mm*8mm补板试件中测点1-6到焊缝根部的距离分别为1、12、9、30、30、32mm，残余应力中最大拉应力为337.85Mpa，是屈服极限的61.09%，最大压应力为398.88MPa，是屈服极限的72.13%；φ711mm*10mm补板试件中测点1-6到焊缝根部的距离分别为9、9、12、27、30、29mm，φ711mm*10mm补板结构的残余应力数值上总体低于φ630mm*8mm补板中的残余应力。

φ711mm*10mm管道两接管

测点1-9到焊缝根部的距离分别为29、11、10、77、53、60、30、30、95mm。

φ630mm*8mm和φ711mm*10mm管道上的接管

φ711mm*10mm上接管测点1-3到焊缝根部的垂直距离分别为32、17、10mm；φ630mm*8mm上接管测点1-3到焊缝根部的垂直距离分别为12、9、12mm。测试结果表明焊接接管的根部存在残余应力。

φ630mm*8mm管道螺旋焊缝

测量了φ630mm*8mm管道螺旋焊缝处的残余应力。测点1-6到管道螺旋焊缝根部的距离分别为0、0、0、30、0、28mm。第二主应力都是负值，即压应力。φ630mm*8mm管道接管、φ630mm*8mm管道补板以及φ711mm*10mm管道补板周围的残余第一主应力和第二主应力与管道螺旋焊缝附近残余应力的比较。由数据上可以看出，3种焊接结构的第一主应力多为拉应力，明显大于螺旋焊缝的第一主应力，最大拉应力为服务极限的70.94%。螺旋焊缝处的第二主应力为压应力，其最大值为屈服极限的-74.66%，其余结构中的第二主应力中既有拉应力，也有压应力。

结论

1. 焊缝近处存在残余应力，且距焊缝越近，残余应力的数值越大。

2. 焊接修复结构残余应力的第一主应力多为拉应力，最大拉应力为屈服极限的70.94%；管道螺旋焊缝处残余应力的第二主应力为压应力，最大压应力为屈服极限的74.66%。

3. 在“扣帽子”修复结构上，接管根部存在较大的残余应力。