CN113237770A - 一种腐蚀管道剩余强度试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腐蚀管道剩余强度试验装置及方法，属于实验设备领域。本发明可利用不同形状腐蚀区域的管道试验模型，由加卸载系统持续对模型加压直至管道试验模型发生穿孔泄露，测量腐蚀管道发生穿孔泄漏时的压力数据，即为腐蚀管道剩余强度。通过测量不同模型腐蚀穿孔泄漏时的压力可以分析不同腐蚀参数和腐蚀形状对管道剩余强度的影响，通过测计不同模型在不同压力载荷下的应力可以分析不同腐蚀参数和腐蚀形状对管道应力的影响规律，为精确预估含腐蚀缺陷的管道剩余强度提供参考。

Description

一种腐蚀管道剩余强度试验装置及方法

技术领域

本发明属于实验设备领域，具体涉及一种腐蚀管道剩余强度试验装置及方法。

背景技术

油气资源既是重要的化工原料，又是重要的能源基础，被誉为“工业的粮食和血液”，其产品被广泛用于生产、生活的各个领域，对国民经济发展具有重要作用。在油气资源的开采、集输等环节使用大量钢制管道，而利用管道运输油气的经济性和安全性得到国内外学者的广泛关注。由于油气资源的特殊性，其管道运输中一旦发生穿孔泄漏、爆破等事故，会造成一定的经济损失和安全问题。大量研究表明，管道周围环境使其易发生腐蚀，腐蚀是导致管道失效破坏的主要原因。因此，有必要对腐蚀管道剩余强度进行研究，以判断管道是继续服役、修复还是更换，既能避免管道提前退役造成经济浪费和安全事故，又能科学地指导管道的维修计划和安全生产管理。

对于腐蚀管道剩余强度的研究，国外拥有一系列的评价准则，比较有代表性的有API579、DNV-RP-F101、ASME B31G，然而这些腐蚀管道剩余强度评价方法在描述不同钢级腐蚀管道失效压力时具有一定局限性，在指导实际工程的管道运行维护上过于保守，以至于管道提前检修或更换，提高使用成本。随着计算机虚拟仿真技术和有限元理论的发展，研究人员利用有限元分析软件对腐蚀管道剩余强度进行了研究，取得了不错的效果。但由于在虚拟仿真中对管道腐蚀区域边界条件的处理以及对实际腐蚀情况的假设，使得仿真结果在描述实际腐蚀管道剩余强度存在一定误差，同时缺乏腐蚀管道的剩余强度试验的实测数据验证。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种腐蚀管道剩余强度试验装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种腐蚀管道剩余强度试验装置，其包括腐蚀管道模型和加卸载系统；

所述腐蚀管道模型的主体为待试管道，待试管道的底端由平底封头封堵，顶部通过法兰盘与法兰盖密封连接，所述法兰盖上开设有注水孔和排气孔，除注水孔和排气孔之外待试管道内部形成密闭腔体；待试管道的外侧壁上开设有用于模拟管道腐蚀区域的凹槽；

所述加卸载系统上设有进水管路和溢流管路，并通过加压管路连接所述腐蚀管道模型的注水孔；所述加卸载系统的控制仪与上位机相连，在上位机的控制下通过加压管路向待试管道的密闭内腔中注水；

所述腐蚀管道模型的排气孔连接有带截止阀的排气管路，且排气管路上设有用于监测待试管道内部压力的压力表和压力传感器；压力传感器连接数据采集系统，由数据采集系统获取待试管道的管内压力值；

所述待试管道上在腐蚀导致的应力集中区域分布有若干应变传感器，且应变传感器至少布置于凹槽内部轴线以及凹槽外部边缘附近；所有应变传感器均连接应变仪，由应变仪获取各应变传感器所测的应变值；

所述数据采集系统以及应变仪均连接上位机，由上位机同步记录压力传感器所测的管内压力值以及各应变传感器所测的应变值。

作为优选，所述凹槽为矩形凹槽，设置在待试管道外壁上。

进一步的，所述待试管道上布置的应变传感器有两组；第一组应变传感器共4个，第1个应变传感器布置于凹槽的中心位置，第2个和第3个应变传感器对称布置于第1个应变传感器的两侧且位于所述凹槽内部，第4个应变传感器布置于所述凹槽的一条短边边缘外侧，且第一组4个应变传感器均位于凹槽的长轴线上；第二组应变传感器共4个，且均位于凹槽长轴线的一条平行线上，该平行线位于所述凹槽的一条长边边缘外侧；第一组4个应变传感器与第二组4个应变传感器一一对应。

进一步的，所述腐蚀管道模型有多个，且不同腐蚀管道模型中用于模拟管道腐蚀区域的凹槽形状、方向或尺寸不同。

进一步的，所述凹槽的方向类别至少包括沿待试管道的轴向、斜向和环向，尺寸类别至少包括不同腐蚀长度、不同腐蚀宽度和不同腐蚀深度。

作为优选，所述法兰盘与法兰盖上均开设有多对一一对应的螺栓孔，两者通过多组垫片、螺栓和螺母实现可拆卸式固定，且法兰盘与法兰盖之间通过密封圈实现水密密封。

进一步的，不同腐蚀管道模型共用相同的法兰盖，但其中的待试管道不同。

作为优选，所述凹槽内部的棱角及边界位置以圆倒角过渡。

作为优选，还包括与所述待试管道材质相同的对照钢板，对照钢板上布置有对照应变传感器，用于获取温度导致的应变补偿值。

另一方面，本发明提供了一种基于上述试验装置的腐蚀管道剩余强度试验方法，其步骤如下：

S1、从所有的腐蚀管道模型中择一安装于腐蚀管道剩余强度试验装置中，并进行密封性检查确保待试管道内部能形成密闭状态，打开排气管路上的截止阀；

S2、启动加卸载系统对S1中连接完毕的待试管道进行耐水压试验；试验过程中，加卸载系统先将进水管路中输入的水不断通过加压管路注入待试管道的密闭内腔中，管道内空气逐渐通过排气管路完全排出，直至管内充满水后关闭截止阀；然后加卸载系统继续向待试管道的密闭内腔中注水，使其压力按照预先设定的压力加载程序逐步升高，直至待试管道发生穿孔泄漏时停止加压；在整个加压过程中，通过数据采集系统和压力传感器实时测量待试管道的管内压力值，并将获取的压力数据实时传输给上位机，同时通过应变仪和应变传感器实时监测待试管道腐蚀区域不同位置的应变值，并实时传输给上位机；加卸载系统持续对腐蚀管道模型加压直至待试管道发生穿孔泄露时的压力即为腐蚀管道剩余强度；

S3、针对剩余的所有腐蚀管道模型，依次按照S1和S2进行耐水压试验，得到不同腐蚀形状和参数下的腐蚀管道剩余强度，用于分析在不同压力载荷下的不同腐蚀形状和参数对管道应力的影响规律。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明通过搭建含腐蚀缺陷管道的耐水压试验平台，提供了一种能够实现真实模拟的腐蚀管道剩余强度试验方法。本发明可利用不同形状腐蚀区域的管道试验模型，由加载系统持续对模型加压直至管道试验模型发生穿孔泄露，测量腐蚀管道发生穿孔泄漏时的压力数据，即为腐蚀管道剩余强度。通过测量不同模型腐蚀穿孔泄漏时的压力可以分析不同腐蚀参数和腐蚀形状对管道剩余强度的影响，通过测计不同模型在不同压力载荷下的应力可以分析不同腐蚀参数对和腐蚀形状对管道应力的影响规律，为精确预估含腐蚀缺陷的管道剩余强度提供参考。

附图说明

图1为腐蚀管道剩余强度试验装置示意图；

图2为腐蚀管道模型示意图；

图3为不同方向腐蚀凹槽的待试管道示意图；

图4为待试管道上的腐蚀区域应力分布示意图；

图5为应变传感器布置的母线示意图；

图6为两条母线上应变传感器测点布置图。

图中附图标记为：腐蚀管道模型1、截止阀2、加卸载系统3、应变仪4、控制仪5、上位机6、数据采集系统7、压力表8、压力传感器9、应变传感器10、进水管路11、溢流管路12、加压管路13、排气管路14、待试管道1-1、螺栓1-2、螺母1-3、垫片1-4、法兰盘1-5、法兰盖1-6、注水孔1-7、排气孔1-8、密封圈1-9、凹槽1-10、平底封头1-11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

为了对腐蚀管道剩余强度的评价准则及仿真结果对比验证，同时为现有评估方法及仿真模拟的修正提供参考，旨在精确评估腐蚀管道的剩余强度，本发明提供了腐蚀管道的耐水压试验方法及相关试验装置，以实验方法实测含有一定腐蚀缺陷的管道剩余强度。本发明搭建了含腐蚀缺陷管道的耐水压试验平台，确定了腐蚀管道剩余强度试验方法，并根据试验需要设计了不同形状腐蚀区域的管道试验模型及相关试验装置，试验模型包括沿管道轴向腐蚀、环向腐蚀以及不同角度的斜向腐蚀类型。

试验目的在于研究含不同腐蚀程度的管道剩余强度，以及在不同管道内压下腐蚀区域结构参数对管道应力水平的影响。在管道试验模型水耐压试验中，当管道内压增加到使其发生穿孔泄露时的压力为腐蚀管道剩余强度。要了解腐蚀管道的应力水平，需在管道腐蚀区域表面粘贴应变传感器，通过应变测量计算出应力值。

管道失效的判断标准是评估腐蚀管道剩余强度的重要基础，无论是有限元软件模拟还是模型试验，都必须给定管道失效的判断依据。一般情况下，油气管道失效主要由腐蚀区域发生塑性失效导致，依据材料力学第四强度校核理论，即在腐蚀区域的等效应力(VonMises准则)达到管道材料的屈服强度，腐蚀区域发生塑性形变，管道面临穿孔泄漏风险。根据Von Mises准则，管道失效准则可表示为：

式中：

为等效应力，σ₁、σ₂、σ₃分别为空间坐标x、y、z轴方向上的主应力，σ_s为屈服强度。

为了尽可能模拟真实的油气管道腐蚀情况，本发明设计的腐蚀管道试验模型需最大程度模拟管道的实际腐蚀情况。根据油气管道长距离输运的特点以及管道工作环境的复杂性，管道不仅要承受内部油气的压力，还可能受到横向集中载荷、轴向拉压载荷、弯曲载荷以及各种载荷的耦合作用，其作用结果复杂难以预测，但通常情况下，在油气管道设计施工环节，应避免管道受内部油气压力以外的载荷，因此在进行腐蚀管道耐水压试验及试验模型设计时，仅考虑管道受内部油气的压力。由于大多油气管道都深埋地下，在考虑管道和土壤及周围环境之间相互作用时，只考虑管道受腐蚀作用，故只研究含腐蚀区域的管段。

腐蚀区域是管道最薄弱的位置，对管道腐蚀区域的模拟关系到试验模型能否准确反映实际腐蚀管道的应力水平及剩余强度。大量研究表明，管道的局部及均匀腐蚀是管道失效最常见的形式，因此本发明在设计腐蚀管道试验模型时可将腐蚀区域的形状设计为同底矩形凹槽，即开设于管道外表面的一个矩形凹槽，该同底矩形结构可以视为圆环柱一部分与管道相交所得。管道腐蚀是受周围环境长时间作用效果，而非管道在短期内局部致损，腐蚀区域表面不会突变，所以对管道试验模型腐蚀区域的边界即凹槽的边界以及凹槽内棱角处理应以一定圆倒角过渡，避免出现应力集中。

下面结合具体实施例对本发明中的腐蚀管道剩余强度试验装置具体结构形式进行详细描述。

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种腐蚀管道剩余强度试验装置，其主要组件包括腐蚀管道模型1和加卸载系统3，腐蚀管道模型1作为模拟具有腐蚀区域的管道模型，而加卸载系统3则可以对腐蚀管道模型1进行加压，为精确预估含腐蚀区域的管道剩余强度提供参考。腐蚀管道模型1最少为1个，也可以有多个。在本实施例中，为研究不同的腐蚀形状和参数对于管道剩余强度的影响，设置了多个腐蚀管道模型1，且不同腐蚀管道模型1中用于模拟管道腐蚀区域的凹槽1-10形状、方向或尺寸不同。

如图2所示，每一个腐蚀管道模型1的主体为待试管道1-1，本实施例中待试管道1-1采用以X120管线钢加工而成的管道。待试管道1-1的底端由平底封头1-11封堵，顶部设置一个法兰盘1-5，法兰盘1-5上可以密封连接一个法兰盖1-6。法兰盘1-5与法兰盖1-6上均开设有多对一一对应的螺栓孔，两者通过多组垫片1-4、螺栓1-2和螺母1-3实现可拆卸式固定，垫片1-4垫于螺母1-3和法兰盘1-5之间。另外，由于待试管道1-1内部在试验过程中存在较高的水压，因此法兰盘1-5与法兰盖1-6之间需要通过密封圈1-9实现水密密封。法兰盖1-6上开设有注水孔1-7和排气孔1-8，除注水孔1-7和排气孔1-8之外待试管道1-1内部形成密闭腔体，保证在内部加压过程中不会出现泄露。每条待试管道1-1的外侧壁上开设有用于模拟管道腐蚀区域的凹槽1-10。如前所述，该凹槽1-10为矩形凹槽，设置在待试管道1-1外壁上。

上述腐蚀管道模型1中，待试管道1-1与法兰盖1-6之间是可拆卸的，因此不同腐蚀管道模型1共用相同的法兰盖1-6，但其中的待试管道1-1不同，可以根据需要进行更换。因此，本实施例中，设置了众多不同的待试管道1-1，待试管道1-1的本身形状均相同，区别在于侧面开设的凹槽1-10不同。本实施例中，凹槽1-10形状均设置为矩形，但方向和尺寸设置了多种类别，其中方向类别包括沿待试管道1-1的轴向、斜向和环向三种，尺寸类别至少包括不同腐蚀长度、不同腐蚀宽度和不同腐蚀深度。轴向的凹槽1-10是指与凹槽1-10长度方向的长轴线沿待试管道1-1的轴向，如图3a)所示；环向的凹槽1-10长度方向的长轴线沿待试管道1-1的环向，如图3b)所示；斜向的凹槽1-10长度方向的长轴线沿待试管道1-1的斜向即与待试管道1-1环向水平线呈大于0度小于90度的夹角，如图3c)和d)所示分别为30°斜向和60°斜向。当然，在其他实施例中，不同腐蚀管道模型1中凹槽1-10的形状、尺寸、方向均可以根据实际研究需要进行调整，不作限制。

另外，加卸载系统3上设有进水管路11和溢流管路12，并通过加压管路13连接腐蚀管道模型1的注水孔1-7。加卸载系统3上设置有作为下位控制的控制仪5，控制仪5与上位机6相连，具体的加压程序可在上位机6中进行设置，以便于操作，整个加卸载系统3可在上位机6的控制下向控制仪5发送加压信号，从而通过加压管路13向待试管道1-1的密闭内腔中注水。其中注入的水可以采用自来水，由进水管路11输入，多余的水可以从溢流管路12排出。

另外，在加压过程中，需要不断监测腐蚀管道模型1内的压力情况，因此腐蚀管道模型1的排气孔1-8连接排气管路14，且排气管路14上设有用于监测待试管道1-1内部压力的压力表8和压力传感器9。而压力传感器9连接数据采集系统7，由数据采集系统7获取待试管道1-1的管内压力值。数据采集系统7可以采用与压力传感器9配套的采集设备，不作特殊限定。另外，排气管路14的作用是在注水的初期排出待试管道1-1内部的气体，但当内部注满水后则需要进行密封防止加压失败，因此排气管路14的末端设有一个截止阀2，可根据需要对管路进行开断。

另外，为了测量在压力加载过程中，待试管道1-1的腐蚀区域发生的应力变化情况，需要在待试管道1-1上设置多个应变传感器10。应变传感器10需要设置在腐蚀导致的应力集中区域，以准确反映管道的应力情况。一般而言，应变传感器10至少布置于凹槽1-10内部轴线以及凹槽1-10外部边缘附近。所有应变传感器10均连接应变仪4，由应变仪4获取各应变传感器10感应的电信号，并将其转换为应变值。

在本实施例中，为了解管道腐蚀区域的应力应变状态，在应变传感器布设和粘贴之前，首先要确定应变传感器的粘贴位置。因此，通过对具有轴向凹槽1-10的腐蚀管道等效应力进行了有限元仿真，管道腐蚀区域等效应力分布示意图如图4所示。从图4中可见，表面腐蚀区域的应力较管道其他位置相比大得多，所以主要研究管道腐蚀及其周围区域的应力水平即可，在腐蚀区域的中心位置等效应力最大，在轴向和环向方向上，腐蚀区域两侧的等效应力具有很好的对称性。所以，为简化试验过程，本发明对于环向和轴向方向上，均只对腐蚀区域的一侧进行应变测量即可。

因此，本实施例中，以图3a)所示的待试管道1-1为例，优选将应变传感器布设在如图5所示的两条母线上，其中母线1经过腐蚀区域的中心位置，母线2为环向上腐蚀区域两相邻区域之一，母线2的位置为在管道外壁上与腐蚀区域的最近边界距离为4厘米，视图方向为由法兰盘向平底封头方向。因此，待试管道1-1上布置的应变传感器10分两组分别布置于一条母线上，具体布置如图6所示；第一组应变传感器10共4个，第1个应变传感器10布置于凹槽1-10的中心位置，第2个和第3个应变传感器10对称布置于第1个应变传感器10的两侧且位于凹槽1-10内部，第4个应变传感器10布置于凹槽1-10的底部短边边缘外侧，且第一组4个应变传感器10均位于母线1即凹槽1-10的长轴线上；第二组应变传感器10共4个，且均位于母线2即凹槽1-10长轴线的一条平行线上，该母线2位于凹槽1-10的一条长边边缘外侧。需注意的是，第一组4个应变传感器10与第二组4个应变传感器10一一对应，每一对对应的应变传感器10所处高度相同。

同样的，斜向和环向凹槽1-10的待试管道1-1上应变传感器10的布置形式也类似，与轴向凹槽1-10的待试管道1-1的区别在于，将轴向凹槽1-10的待试管道1-1上的凹槽1-10以及所有应变传感器10同步旋转了相应的角度。

上述应变传感器10的作用是监测管道上腐蚀区域处不同点位的应力值变化，所述数据采集系统7以及应变仪4均连接上位机6，由上位机6同步记录压力传感器9所测的管内压力值以及各应变传感器10所测的应变值，以便于后续分析。

另外，由于温度效应会对粘贴在管道外壁的应变传感器10产生附加应变，所以要对管道外壁上的工作应变传感器进行温度补偿，方法为选取与待试管道1-1材质相同的钢板记为对照钢板，在上面粘贴一个相同的应变传感器10，该传感器不受压力载荷下获取的应变值可以作为温度导致的应变补偿值。

基于上述试验装置的腐蚀管道剩余强度试验方法，其步骤如下：

S1、从所有的腐蚀管道模型1中择一安装于腐蚀管道剩余强度试验装置中，并进行密封性检查确保待试管道1-1内部能形成密闭状态，打开排气管路14上的截止阀2；

S2、启动加卸载系统3对S1中连接完毕的待试管道1-1进行耐水压试验；试验过程中，加卸载系统3先将进水管路11中输入的水不断通过加压管路13注入待试管道1-1的密闭内腔中，管道内空气逐渐通过排气管路14完全排出，直至管内充满水后关闭截止阀2；然后加卸载系统3继续向待试管道1-1的密闭内腔中注水，使其压力按照预先设定的压力加载程序逐步升高，直至待试管道1-1发生穿孔泄漏时停止加压；在整个加压过程中，通过数据采集系统7和压力传感器9实时测量待试管道1-1的管内压力值，并将获取的压力数据实时传输给上位机6，同时通过应变仪4和应变传感器10实时监测待试管道1-1腐蚀区域不同位置的应变值，并实时传输给上位机6；加卸载系统3持续对腐蚀管道模型1加压直至待试管道1-1发生穿孔泄露时的压力即为腐蚀管道剩余强度；

S3、针对剩余的所有腐蚀管道模型1，依次按照S1和S2进行耐水压试验，得到不同腐蚀形状和参数下的腐蚀管道剩余强度，用于分析在不同压力载荷下的不同腐蚀形状和参数对管道应力的影响规律。

下面为了进一步便于本领域技术人员理解，将上述实施例中的试验装置及方法应用于一个具体案例中，以展示技术效果。

实施例

为试验研究腐蚀管道的剩余强度以及腐蚀区域结构参数对管道应力水平的影响，进行了腐蚀管道耐水压试验，其中腐蚀区域结构参数包括腐蚀区域即开设于管道表面的矩形凹槽的长度、宽度和深度。腐蚀区域(即凹槽10)的长度沿轴向时定义为轴向腐蚀，腐蚀长度沿环向时定义为环向腐蚀，腐蚀长度沿斜向时定义为斜向腐蚀。采用超高强度X120管线钢制造的无缝输油管道来设计加工腐蚀管道试验模型，试验选取的管道外径325mm，壁厚12mm，为研究腐蚀区域结构参数对管道等效应力的影响，设计了四个含有轴向腐蚀区域的管道试验模型，定义为模型一、二、三、四，管道试验模型设计长度1.2m，通过机械加工方法，在管道外壁上开设轴向同底方形凹槽代表管道发生轴向局部及均匀腐蚀，腐蚀区域结构参数如表1所示，表中数据为加工后实测值。对管道试验模型分别进行耐水压破坏试验。

表1模型腐蚀区域结构参数

利用基于有限元法的仿真研究发现，当腐蚀管道模型长度与腐蚀区域沿轴向尺寸之比不小于2时，腐蚀管道模型长度对于腐蚀区域等效应力的影响可以忽略，因此管道试验模型的设计长度1.2m满足要求。将X120钢级输油管道截成长度1.2m的一段，在其一端焊接圆形钢板作为平底封头，另一端焊接法兰盘作为连接装置与法兰盖连接，法兰盘和法兰盖之间通过八个螺栓连接固定，法兰盘和法兰盖之间通过一个O型橡胶圈密封，在法兰盖端面上设置两个通孔用于加压注水和排气，试验模型结构示意图如图1和图2所示。

为研究腐蚀区域方向(包括轴向腐蚀、环向腐蚀和斜向腐蚀)对腐蚀管道剩余强度的影响，在轴向腐蚀管道试验模型基础上，又设计了一个环向腐蚀区域和两个斜向腐蚀区域的管道试验模型，定义为模型五、六、七，其腐蚀长度为305mm，腐蚀宽度为32mm，腐蚀深度为9.1mm，其中斜向腐蚀区域的试验模型包括腐蚀长度方向与管道横截面夹角为30°和60°的两个模型，模型五、六、七的管道结构示意图如图3中b)～d)所示。

如图1所示利用不同的腐蚀管道模型搭建腐蚀管道剩余强度试验平台，其中不同腐蚀管道剩余强度试验共用顶部的法兰盖。其中加卸载系统以及其控制仪由麦格思维特(上海)流体工程有限公司生产，最大加载能力为60MPa，控制精度及压力传感器分辨率为0.01MPa，加卸载速度在0.1～0.6MPa/min范围内连续可控。应变仪为日本共和生产UCAM-60B型号，应变传感器为日本共和生产的KFG-1-120-D17-11L1M3S型号，压力表为上海自动化仪表5厂生产、压力传感器为德国Tecsis公司生产的P3290B088020型号。

腐蚀管道耐水压试验根据X120钢级原型管道的局部及均匀腐蚀情况，设计腐蚀管道试验模型，在实验室内对试验模型进行耐水压试验，可以测量试验模型发生穿孔泄漏时的管道内压，即剩余强度，同时还可通过对管道在不同内压载荷下进行应变测量，以了解腐蚀管道试验模型腐蚀区域的应力水平。

如图5所示，如前所述，对于轴向腐蚀凹槽在两条母线上共设8个应变测点，每个测点布设一个0°—45°—90°的三轴应变传感器，按单向应变传感器计共24片，具体布设位置如图6所示。由图5和6可知，在母线1的腐蚀中心位置粘贴一个应变传感器，在中心位置的轴向两侧间隔5厘米，各布设一个应变传感器，同时在母线1上的腐蚀区域下边界间隔4厘米再布设1个应变传感器；在母线2上布设的应变传感器与母线1上的布设点在轴向上的位置相同。对于环向腐蚀凹槽和斜向腐蚀凹槽，应变传感器的布置形式也类似，与轴向凹槽的待试管道的区别在于，将轴向凹槽的待试管道上的凹槽以及所有应变传感器同步旋转了相应的角度。

由于温度效应会对粘贴在管道外壁的应变传感器产生附加应变，使测试结果误差增大，所以要对管道外壁上的工作应变传感器进行温度补偿，抵消由于温度使应变片产生的附加应变，方法为选取与X120钢级管道同材料的一块钢板，在上面粘贴一个应变传感器，该传感器不受压力载荷，然后使温度补偿的应变传感器与管道试验模型处在同一温度和环境中，这样温度对应变的影响可以通过工作应变传感器与温度补偿传感器做差值抵消掉。

本实施例中，应变传感器的粘贴方式如下：

在确定应变测点位置后，需要对每个管道上测点进行打磨，首先用记号笔在管道外壁上划出需要除锈和打磨的区域，经过除锈打磨后，再对测点位置进行精确定位，用钢针划出应变传感器粘贴位置，再用细砂纸对钢针划出的毛刺进行打磨，以防止毛刺损坏应变传感器。用棉花蘸取酒精对粘贴位置清洗两遍，再用干燥干净的棉花将粘贴位置擦干，应变传感器的粘贴采用496胶水，注意胶水不要涂抹太多，以免胶水风干较慢，用大拇指将应变片贴在测点上，拇指按压5～10分钟松开手，应变传感器的0°和90°方向分别沿着管道的环向和轴向方向布置，粘贴后，让应变传感器静止24小时，使胶水充分风干，以使应变传感器和管道测点位置发生同步变形，同时用铝箔纸将贴好的应变传感器完全包裹住，以免表面落有灰尘，影响应变测量。静止24小时后，将铝箔纸撕掉，准备接线，将接线端子用496胶水粘在应变传感器引线附近，用电烙铁将应变传感器引线焊接在接线端子上，再将外部导线焊接在接线端子对应的端子，接线端子在应变传感器引线和导线之间起到过渡的作用，防止应变传感器引线损坏。

另外，粘贴的应变传感器暴露在空气中，需对应变传感器接线处涂抹两次703胶水，起到绝缘密封作用，每次涂抹一层703胶水后需静止24小时使其充分风干，达到较好的密封绝缘效果。在密封绝缘处理后，用万用表对每个应变传感器单轴敏感栅进行电阻测量，正常的电阻值应该与应变传感器出厂参数相差不大，否则应该更换该测点的应变传感器。

在应变传感器完成布设后，对每个腐蚀管道试验模型分别进行如前述S1～S3所示的耐水压试验，部分细节性的试验过程如下：

待管道试验模型装配好，各管路连接完成并保证密封良好，应变传感器与应变测试仪之间导线连接完毕，保证应变传感器接线处绝缘密封良好，启动加卸载控制系统，设置为自动加卸载控制，启动应变测量系统，设置单轴应变传感器为1/4桥路连接方式，通过计算机控制软件设置目标压力60MPa和加压速度0.5MPa/min，以及在压力每升高1MPa保压时间为10min，压力传感器采样频率设为1，将指令发送给加卸载控制系统，启动加载程序。

在整个加载过程中，通过压力传感器和压力表实时测量管道试验模型内压力，获取压力数据，通过应变测试仪和应变传感器实时监测管道腐蚀区域的应变状态并完成数据采集，测计应力。加载系统持续对模型加压直至管道试验模型发生穿孔泄露，测量腐蚀管道发生穿孔泄漏时的压力数据，即为腐蚀管道剩余强度。通过测量不同模型腐蚀穿孔泄漏时的压力可以分析不同腐蚀参数和腐蚀形状对管道剩余强度的影响，通过测计不同模型在不同压力载荷下的应力可以分析不同腐蚀参数对和腐蚀形状对管道应力的影响规律，为精确预估含腐蚀缺陷的管道剩余强度提供参考。

本实施例的试验结果及分析如下：

通过管道模型耐水压试验实测每个模型发生穿孔泄漏时的极限耐压值，其中模型一至模型七的极限耐压分别为11.4MPa、12.1MPa、14.1MPa、14.9MPa，17.6MPa、15.9MPa、15.2MPa。由试验结果可知，管道试验模型发生穿孔泄漏的位置均发生在腐蚀区域的中心，由于腐蚀区域应力较其他部位更大，该区域应力先达到管道材料抗拉强度，发生破坏。对于轴向腐蚀类型，管道发生穿孔泄漏的裂痕沿轴向排列，这是因为对轴向局部及均匀腐蚀而言，其环向应力较轴向和径向应力更大，环向应力先达到抗拉强度发生破坏所致；对于环向腐蚀类型，腐蚀区域轴向应力更大，先达到抗拉强度发生破坏，穿孔泄漏的裂痕沿环向分布。

由模型的极限耐压实测结果可知，模型一、二的腐蚀宽度和深度相同，模型一腐蚀长度较大，剩余强度更小；模型二、三的腐蚀长度和宽度相同，模型二腐蚀深度较大，剩余强度更小；模型三、四的腐蚀长度和深度相同，模型四腐蚀宽度较大，剩余强度更大；比较模型三、五、六、七，腐蚀参数相同，而腐蚀缺陷的方向不同，导致剩余强度不同，在腐蚀长度方向与管道横截面的夹角由0°至90°范围，夹角越大管道剩余强度越小。腐蚀管道剩余强度实测数据与仿真结果最大偏差为3.5％，达到了仿真结果与试验结果对比验证的效果。如果仿真结果与试验结果偏差较大，说明仿真模拟对腐蚀管道的模型简化和边界条件处理存在问题，需要加以修正。

通过应变传感器实测管道试验模型腐蚀区域的应变来测计应力，试验表明，随着压强载荷的增加，腐蚀区域等效应力基本呈线性增加；在不同压强载荷下，腐蚀长度、腐蚀宽度和腐蚀深度对等效应力的影响规律一致，随着腐蚀长度的增加，等效应力增加，管道剩余强度减小。随着腐蚀宽度增加，等效应力减小，管道剩余强度增加，这是由于腐蚀宽度越小，腐蚀区域应力愈加集中，反之，腐蚀区域的应力分布更加均匀。随着腐蚀深度的增加，等效应力增加，管道剩余强度减小。这是由于随着腐蚀深度增加，腐蚀区域的应力愈加集中所致。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，包括腐蚀管道模型(1)和加卸载系统(3)；

所述腐蚀管道模型(1)的主体为待试管道(1-1)，待试管道(1-1)的底端由平底封头(1-11)封堵，顶部通过法兰盘(1-5)与法兰盖(1-6)密封连接，所述法兰盖(1-6)上开设有注水孔(1-7)和排气孔(1-8)，除注水孔(1-7)和排气孔(1-8)之外待试管道(1-1)内部形成密闭腔体；待试管道(1-1)的外侧壁上开设有用于模拟管道腐蚀区域的凹槽(1-10)；

所述加卸载系统(3)上设有进水管路(11)和溢流管路(12)，并通过加压管路(13)连接所述腐蚀管道模型(1)的注水孔(1-7)；所述加卸载系统(3)的控制仪(5)与上位机(6)相连，在上位机(6)的控制下通过加压管路(13)向待试管道(1-1)的密闭内腔中注水；

所述腐蚀管道模型(1)的排气孔(1-8)连接有带截止阀(2)的排气管路(14)，且排气管路(14)上设有用于监测待试管道(1-1)内部压力的压力表(8)和压力传感器(9)；压力传感器(9)连接数据采集系统(7)，由数据采集系统(7)获取待试管道(1-1)的管内压力值；

所述待试管道(1-1)上在腐蚀导致的应力集中区域分布有若干应变传感器(10)，且应变传感器(10)至少布置于凹槽(1-10)内部轴线以及凹槽(1-10)外部边缘附近；所有应变传感器(10)均连接应变仪(4)，由应变仪(4)获取各应变传感器(10)所测的应变值；

所述数据采集系统(7)以及应变仪(4)均连接上位机(6)，由上位机(6)同步记录压力传感器(9)所测的管道内压力值以及各应变传感器(10)所测的应变值。

2.如权利要求1所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，所述凹槽(1-10)为矩形凹槽，设置在待试管道(1-1)外壁上。

3.如权利要求2所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，所述待试管道(1-1)上布置的应变传感器(10)有两组；第一组应变传感器(10)共4个，第1个应变传感器(10)布置于凹槽(1-10)的中心位置，第2个和第3个应变传感器(10)对称布置于第1个应变传感器(10)的两侧且位于所述凹槽(1-10)内部，第4个应变传感器(10)布置于所述凹槽(1-10)的一条短边边缘外侧，且第一组4个应变传感器(10)均位于凹槽(1-10)的长轴线上；第二组应变传感器(10)共4个，且均位于凹槽(1-10)长轴线的一条平行线上，该平行线位于所述凹槽(1-10)的一条长边边缘外侧；第一组4个应变传感器(10)与第二组4个应变传感器(10)一一对应。

4.如权利要求1～3任一所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，所述腐蚀管道模型(1)有多个，且不同腐蚀管道模型(1)中用于模拟管道腐蚀区域的凹槽(1-10)形状、方向或尺寸不同。

5.如权利要求4任一所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，所述凹槽(1-10)的方向类别至少包括沿待试管道(1-1)的轴向、斜向和环向，尺寸类别至少包括不同腐蚀长度、不同腐蚀宽度和不同腐蚀深度。

6.如权利要求1所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，所述法兰盘(1-5)与法兰盖(1-6)上均开设有多对一一对应的螺栓孔，两者通过多组垫片(1-4)、螺栓(1-2)和螺母(1-3)实现可拆卸式固定，且法兰盘(1-5)与法兰盖(1-6)之间通过密封圈(1-9)实现水密密封。

7.如权利要求4所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，不同腐蚀管道模型(1)共用相同的法兰盖(1-6)，但其中的待试管道(1-1)不同。

8.如权利要求1所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，所述凹槽(1-10)内部的棱角及边界位置以圆倒角过渡。

9.如权利要求1所述的腐蚀管道剩余强度试验装置，其特征在于，还包括与所述待试管道(1-1)材质相同的对照钢板，对照钢板上布置有对照应变传感器，用于获取温度导致的应变补偿值。

10.一种基于如权利要求4任一试验装置的腐蚀管道剩余强度试验方法，其特征在于，步骤如下：

S1、从所有的腐蚀管道模型(1)中择一安装于腐蚀管道剩余强度试验装置中，并进行密封性检查确保待试管道(1-1)内部能形成密闭状态，打开排气管路(14)上的截止阀(2)；

S2、启动加卸载系统(3)对S1中连接完毕的待试管道(1-1)进行耐水压试验；试验过程中，加卸载系统(3)先将进水管路(11)中输入的水不断通过加压管路(13)注入待试管道(1-1)的密闭内腔中，管道内空气逐渐通过排气管路(14)完全排出，直至管内充满水后关闭截止阀(2)；然后加卸载系统(3)继续向待试管道(1-1)的密闭内腔中注水，使其压力按照预先设定的压力加载程序逐步升高，直至待试管道(1-1)发生穿孔泄漏时停止加压；在整个加压过程中，通过数据采集系统(7)和压力传感器(9)实时测量待试管道(1-1)的管内压力值，并将获取的压力数据实时传输给上位机(6)，同时通过应变仪(4)和应变传感器(10)实时监测待试管道(1-1)腐蚀区域不同位置的应变值，并实时传输给上位机(6)；加卸载系统(3)持续对腐蚀管道模型(1)加压直至待试管道(1-1)发生穿孔泄露时的压力即为腐蚀管道剩余强度；

S3、针对剩余的所有腐蚀管道模型(1)，依次按照S1和S2进行耐水压试验，得到不同腐蚀形状和参数下的腐蚀管道剩余强度，用于分析在不同压力载荷下的不同腐蚀形状和参数对管道应力的影响规律。

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