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天然气管道现场应力测试
天然气管道现场应力测试
.、八、一
前言
管道应力分析方法的研究一直都受到人们的关注,各国学者从不同途径对管道应力分析方法进行了大量研究。
某天然气分输站阀室管道自建成运行以来,发现地基有沉降现象,为确定敷设在此软土地基上管道的应力水平,应用应力测试方法对管道关键部位进行长达半年多的应力监测。
通过应力测试,获得管道运行时的应力变化状况,从而为管道的安全评定积累大量数据。
同时,对现场管道进行沉降测试,测试结果为下文综合分析沉降作用对管道应力的影响提供有力的支持。
一、现场基本情况
(1)环境介绍阀室所在地为东亚季风气候区。
冬季干燥寒冷,夏季温暖潮湿,年平均气温为22.3C。
管线部分以填海人造平原地貌为主,沉积了较厚的海相冲积物。
根据岩土的工程特性、场地内岩土层分为:
上部土层为人工填土(素填土)、近代海相冲积层(粘土、粉细砂、粗砂、淤泥质土),基底岩石为燕山三期花岗岩(全风化花岗岩)。
(2)试验对象
天然气从生产到销售需经过采集、净化、运输、配气等过程。
整个过程都是在密闭的管道或容器中完成的。
采集、运输、配气过程所用的的管道分别称为矿场集气管线、长距离输气管道、城
市输配管网。
长输管道是连接脱硫净化厂和城市门站之间的管道。
对于一条输气干线,一般有首站、增压站、分输站、清管站、阀室和末站等不同类型的工艺站场。
长输管道必须具备以下各项功能:
计量功能、增压功能、接收和分输功能、截断功能、调压功能、清管功能、储气调峰功能。
典型的长输管道系统构成如图1所示。
注:
1-输气首战:
2-输气干线:
3-气体分输站:
4-城市门站(末站):
5-气体处理厂:
6-气体接收站:
7-增压站:
8-截断阀室:
9-清管站:
10-河流穿越:
11-输气支线:
12-进气支线图1长输管线系统构成图本试验的研究对象是某天然气阀室管道。
根据设计要求,在输气干线约20〜30km范围内应设置阀室,在特殊情况下,如河流等穿越处两侧应分别设置阀室。
阀室的典型流程如图2-2所示,分别由快速截断阀和放空阀组成。
图2典型阀室工艺流程图阀室的主要作用有两个:
一是当管线上、下游发生事故时,管线内天然气压力会在短时间内发生很大变化,快速截断阀可以根据预先设定的允许压降速率自动关断阀门,切断上、下游天然气,防止事态进一步扩大;二是在维修管线时切断上下游气源,放空上游或下游天然气,便于维修。
本文研究对象——阀室的平面布置图如图3所示。
此阀室共
分为七个区,其中①为截断阀室7.8mx7.2m:
②电池室
3.9mx3.6m;③配电仪控室6.9mX3.6m;④小门,宽1.5m;⑤放空管DN2O0h15000;⑥围墙,高2.0m;⑦发球阀组区。
干线管道采用L450MB尺寸为66014.2mm;支线管道采用L360MB尺寸为323.98.8mm放空管道采用L245MB尺寸为219.18mm图3阀室平面布置图
二、试验方案本试验采用电阻应变-应力(电测法)测试方法。
这种方法具有灵敏度高、测量精度高、测量范围大、能适应各种环境使用等一系列优点,在工程结构应力测试中有广泛的应用。
电测法的原理是通过测量粘贴在结构上的电阻应变片的变形,把应变转换成电阻改变量,再通过电阻应变仪将其转换为电压信号,经放大器放大后,经刻度尺或数字显示仪显示,并记录应变变化值。
最后,将测得的应变值换算成应力值。
本测试采用直角应变花,1/4桥连接,并选了适当的温度补偿以消除温度对测试结果的影响。
测试数据经修正后,利用弹性理论计算出应力水平。
应力试验1/4桥测试原理图如图4所示。
图4测试原理图
图2-4中,R为测量片电阻,R0为固定电阻,Eg为桥压,KF为低漂移差动放大器增益。
设其输出电压为Vo,应变计的灵敏度为K则可得输入的应变量为:
(2-1)
式中:
——视应变量,即应变读数;
——输出电压,V;
——桥压,V。
根据需要,电阻应变计采用采用聚酰亚胺基底,康铜箔制成,全密封结构的BA系列,具有可温度自补偿,延伸率高,耐湿热性好,灵敏系数高,使用温度范围宽,适用于150C以内的精密
应力分析和高精度传感器。
试验采用CM-1J-32型静电阻应变仪。
三、试验步骤
(1)测点布置
在多次现场勘查和反复论证的基础上,选取了①和⑦区管道关键点进行应力测试。
测点选择根据管系的结构、走向及受力设置,原则是管系应力的最大部位。
本试验选择①和⑦区的三通及弯头处粘贴应变片。
现场测点分布见表1和图5、6(a)和b)所示。
图5测点布置图①
图6测点布置图⑦a)
图6测点布置图⑦b)
表1管道测试布点
注:
测点编号说明——字母A、B表示①、⑦区应变片编号;第一个数字表示测试点;第二个数字1表示环向应力,2表示轴向应力。
(2)贴片及防护
在管道关键部位按计划进行贴片,具体步骤包括:
测点表面处理(打磨、清洗、划线定位等)、贴片(选片、检测阻值、贴片、焊出引线及作好标号等)、固化处理及粘贴质量检查(外观、阻值及绝缘检查)等。
考虑到应变片需要经历半年多以上的日晒、雨淋等环境影响,试验中对应变片进行了防潮防水等处理。
(3)接线与调试测试系统一般由被测对象、传感器、信号调理、传输、信号处理、显示记录及反馈控制等部分组成。
本试验测试系统接线图为:
图7应变测试接线图
按图7进行接线,为保证测试数据的可靠性和精确性,测试前按照仪器操作规程预热30分钟,经调试正常后开始测试。
在进行现场应力测试之前,采用SSA型标准应变模拟仪对静态应变仪进行校验。
经校验的应变仪误差范围在2%以内,符合测试
的要求。
产生误差的原因有电压的波动、周围存在电磁场、环境温度等,但相对误差数值表明静态应变仪比较稳定,具有较高的精确度。
(4)测试与记录准备完毕后,分别进行查找机箱、平衡操作、参数设置、采样操作、显示与存储结果、数据处理等操作,完成测试并记录好测试过程中管道的工况及环境参数等。
(5)测试计划与实施
为了使试验数据具有连续性,了解管道的应力变化情况,计划并实施了长达半年多的应力跟踪测试试验。
通过试验,积累了大量的现场数据,为分析和评定管道的应力水平和安全状况提供可靠的数据资料。
四、试验数据处理
在进行电阻应变测量时,需要评价测试数据的可信度,也就是在进行试验及数据处理之前,应对试验中可能产生误差的因素加以分析,找出误差可能产生的原因和它们的规律,设法减少误差对测试结果的影响。
(1)误差分析与数据修正
1导线电阻
由于导线本身存在一定的电阻,而且它和电阻片是串联在电阻应变仪的桥臂上,所以导线的电阻也是桥臂电阻的一部分,但它本身不参加变形。
试件变形后的应变,若不考虑导线电阻的影响时,则:
(2-2)
而实际导线电阻已串入桥臂上,所以试件变形后的视应变量为:
(2-3)
式中:
——试件的应变量;
——视应变量,即应变读数;
R——试件变形引起的电阻片的电阻变化量,;
R与电阻片两头连接的两根导线的总电阻,;
K——电阻片的灵敏系数。
如果使用长导线,而精度要求较高时,则应加以修正。
为了
使视应变量与试件的真实应变相等,则需修正灵敏系数K值。
(2-4)
为了测试方便,如若不对灵敏系数K值,则可修正视应变。
即由,可得)(2-5)
2温度如果补偿片及其导线与工作片及其导线在同一温度场时,温度的影响一般不存在。
但在下述两种情况下要考虑到温度对于导线的影响。
a)工作电阻片与补偿片的导线电阻相同,但二者温度变化不一致。
例如一般在现场实测时,工作片的导线与补偿片导线的走向不一致,因此它们不在同一温度场内。
b)工作电阻片与补偿电阻片不相等,但导线在同一温度场内。
若两导线的电阻差为r,则由于温度变化引起的仪器的零点漂移可按下式计算:
(2-6)
式中:
——导线的电阻温度系数,一般导线;
r——工作电阻片导线与补偿电阻片导线的电阻差,
t——温度变化,C。
长导线所产生的温度效应不能忽视。
温度的变化还会引起电阻片电阻丝的尺寸及电导率、电阻丝电阻、被测试件尺寸以及粘贴胶层性能的变化等,这些因素将会导致非真实试件的应变。
解决方法是使工作片与温度补偿片所用的导线长度、规格、所处环境温度相同。
本试验采用1/4桥,并配以相应的温度补偿系统,工作片与补偿片使用相同长度和规格的导线,且使两者基本处于同一温度场。
在实验室模拟现场进行的温度试验也证实了本试验系统受温度影响不大,故忽略。
3灵敏系数
电阻应变片的灵敏系数K是指单位应变所引起的应变片阻值的相对变化。
由于K值是采用抽样标定的,因此生产出的电阻片不可能每片K值都完全一样。
一般其标准误差的大小与生产工艺是否完善、产品质量是否稳定有关。
标准误差小于1%的电
阻片属于A级产品,其电阻片中电阻丝的形状和尺寸的重复性好,产品质量较稳定。
4应变片粘贴方位现场测量时电阻应变片粘贴方位不准确将直接影响测量结果的准确性。
应变片的粘贴方位偏差带来的测量误差不仅与贴片偏差角有关,而且还与预定粘贴方位与该测点主方向的夹角有关。
在一定范围内,预定方位与主方向的夹角越大,贴片方位偏差造成的测量误差也越大;当应变片沿主方向粘贴时,贴片方位偏差造成的测量误差一般不大;当应变片与主方向夹角在临界角方位附近,微小的偏差角也会造成很大的测量误差,所以在此方位附近贴片时应特别注意。
本试验中,应变片贴片时,均经过划线定位沿主应变方向粘贴。
5应变胶粘剂及防潮剂应变计是通过胶粘剂与试件粘贴在一起。
其应变传递过程是:
试件变形-胶粘剂层-应变计基底-敏感栅(箔栅),由箔栅电阻的变化测知应变计电阻变化,从而可知试件的受力大小。
因此,胶粘剂传递应变的真实程度直接影响到测试结果的可靠性。
常温条件测量结构应力的粘贴剂主要是能瞬间固化的a-氰基丙烯酸酯(502快干胶)。
本试验过程中,被粘物在表面处理后应立即进行粘结操作,同时考虑到测试环境及周期长的特点,在粘贴好应变片并固化后,采用705密封胶、环氧树脂再固化密封等多重防护措施对应变片进行了防潮防水处理,尽可能减小测试误差。
(2)测试数据处理与分析将修正后的数据分别代入物理方程计算应力。
试验中采用直角应变花。
主应变:
(2-7)
主应力:
(2-8)
式中:
——第一主应变,此处即为环向应变;
——第二主应变,此处即为轴向应变;
——第一主应力,MPa;
——第二主应力,MPa;
e――管道弹性模量,MPa
——泊松比。
为了不影响正常的输气需要,同时跟踪测试管道系统八个多月的应力变化情况,以第一次(7月)的测试结果为参照,第二至八次(8月至次年2月)测试值相对于第一次测试值反映了管道应力在不同压力、温度、现场沉降条件下的变化情况,测试时管线压力与温度如表2-2所示,①区和⑦区的应力测试结果分别如下表2-3、2-4所示。
应力变化曲线图如图2-8、2-9所示。
表2-2管线压力与温度
表2-3①区应力测试结果
表2-4⑦区应力测试结果
图8①区测点应力变化图
图9⑦区测点布置图
由图89可知7个月内管道应力改变量的变化趋势。
①
区管道应力改变量范围在(-5,45)MPa,⑦区管道应力改变量范围在(-20,20)MPa。
初次测试时,时
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