西氣東輸管道公司南京應急搶修中心

天然氣長(cháng)輸管道發(fā)生泄漏、損傷等情況下，需要進(jìn)行換管作業(yè)。埋地管道長(cháng)時(shí)間受多重載荷影響而產(chǎn)生應力，換管作業(yè)中管道在斷開(kāi)時(shí)應力會(huì )突然釋放，嚴重威脅人員及設備安全。通過(guò)分析長(cháng)輸管道應力產(chǎn)生的原因提出應對措施。

1 長(cháng)輸管道應力現狀

長(cháng)輸埋地管道在運行中會(huì )受到壓力、重力、地震、瞬變流沖擊、機械振動(dòng)、端點(diǎn)附加位移、壓力脈動(dòng)等多重載荷作用，這些載荷會(huì )在整個(gè)管路或某局部區域產(chǎn)生不同性質(zhì)的應力 ，主要包括管道覆土應力，溫差應力，地震、運行過(guò)程產(chǎn)生的震動(dòng)應力，管道制造、運輸、安裝過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應力，如焊接殘余應力、加工殘余應力、鑄造殘余應力、裝配殘余應力等。在各種應力的綜合作用之下，很難確定管道應力方向。隨著(zhù)管線(xiàn)運行時(shí)間的增長(cháng)，管線(xiàn)長(cháng)時(shí)間受多重應力作用會(huì )發(fā)生拉伸、壓縮、剪切、扭轉和彎曲等形變。在對管道實(shí)施斷管作業(yè)過(guò)程中，應力可能導致刀具卡阻、受損或斷裂。在即將斷開(kāi)時(shí)，管線(xiàn)應力的瞬間釋放可能使管口產(chǎn)生瞬間位移，管口彈開(kāi)或傷人或造成切管機受損。因此，采取有效措施來(lái)預防應力的突然釋放非常重要。

2 管口位移分析

2.1 應力作用分析

在應力載荷和持續載荷作用下產(chǎn)生的應力為一次應力。一次應力與外力始終平衡，它隨所加荷載的增加而增大，超過(guò)屈服極限將使管道發(fā)生塑性破壞，或者整體變形。二次應力是由于溫度變化、端點(diǎn)附加位移等位移載荷作用下產(chǎn)生的，是管道由于變形約束而產(chǎn)生的正應力和剪應力。二次應力的特點(diǎn)是具有自限性，當局部范圍內的材料產(chǎn)生屈服或小量變形時(shí)，相鄰部分之間的約束便得到緩和，使變形趨向協(xié)調，不再繼續發(fā)展，而應力自動(dòng)地限制在一定范圍內，但在應變多次重復交變情況下，可能引起管道的疲勞破壞。

實(shí)際作業(yè)中管口往往同時(shí)受軸向及徑向應力，斷口處各時(shí)鐘點(diǎn)位的應力差別較大，甚至可能受彎矩作用而在斷口一側存在拉應力而另一側卻存在壓應力。

2.2 位移形式

管口位移形式主要有徑向位移和軸向位移兩種。徑向位移即管道在切管斷開(kāi)后，兩道管口之間會(huì )發(fā)生上下左右各個(gè)方向的瞬間錯邊位移，如圖 1所示。軸向位移則根據管道在軸向上的受力有所不同，如管 道受拉應力，則切管中即將切斷時(shí)，管體瞬間撕開(kāi)（圖 2）；如管道受擠應力，則管道即將斷開(kāi)時(shí)兩道管口之間的距離變小，造成管口之間相互擠壓。由于管道所受應力復雜，斷管后管口位移情形差別也較大，管口應力聚集的巨大能量得到瞬間釋放，威脅人員及設備安全。

3 位移影響分析

目前，大口徑天然氣管道換管作業(yè)中采用的斷管設備主要有分瓣式切管機、火焰切割機，分瓣式切管機又分為車(chē)削式和鉆銑式（圖 3、圖 4）。

3.1 軸向位移產(chǎn)生的影響

管道長(cháng)期運行中，應力過(guò)度集中，導致管道發(fā)生塑性變形，造成局部橢圓度過(guò)大，由于軸向應力存在拉應力或擠應力，對該管道斷管施工時(shí)將產(chǎn)生如下影響。

采用分瓣式切管機進(jìn)行冷切割時(shí)，如果存在擠應力，會(huì )出現管壁割透刀具進(jìn)給距離不一致的現象，因而在斷管結束前，未完全切透的管壁剩余壁厚因不能承載前后管線(xiàn)應力擠壓，造成卡刀、夾刀、斷齒甚至斷裂報廢。對于未變形的管線(xiàn)，斷管時(shí)管道壁厚可以均勻減小，但在管體完全斷開(kāi)時(shí)，前后管道元件由于應力作用也會(huì )對刀具造成擠壓卡阻，且管段無(wú)法被順利吊出。如果出現拉應力，管道在臨近切割完成時(shí)，由于連接管道無(wú)法承受強大的拉應力，管道未切開(kāi)的剩余部分瞬間撕開(kāi)，可能造成人員受傷和設備損壞。

火焰切割時(shí)，在管道存在拉應力的情況下所受到的影響與冷切割相同；存在擠應力時(shí)，會(huì )出現被夾死的現象，切除的管段將無(wú)法被順利吊出。

3.2 徑向位移產(chǎn)生的影響

管道在斷開(kāi)瞬間，管道應力得到釋放，管口產(chǎn)生較大徑向位移并產(chǎn)生大幅振動(dòng)，有造成人員受傷的可能。由于釋放能量巨大，管口與斷管刀具之間產(chǎn)生劇烈摩擦與碰撞，容易造成刀具斷裂。 大口徑管道斷管后，徑向位移往往導致管口卡死，應力無(wú)法釋放，影響作業(yè)進(jìn)度。

4 控制措施

4.1 管段卡阻無(wú)法吊出情況的處理

需要在距離卡阻管口100 mm左右位置再切割一道口，并在兩道口之間橫向切割（開(kāi)天窗），最終切下一個(gè)環(huán)形缺口達到充分釋放應力的目的，此過(guò)程中隨時(shí)可能出現應力突然釋放管口崩開(kāi)的情況，因此，全過(guò)程需做好相應安全措施。

4.2 斷管作業(yè)坑處理

（1）為了防止管線(xiàn)在斷開(kāi)瞬間發(fā)生大幅位移，在斷管施工前，對切割管線(xiàn)預先做好支撐與壓制。支撐可以采用千斤頂等方式，壓制采用機械對管線(xiàn)左右固定。

（2）開(kāi)挖擺管作業(yè)坑釋放管線(xiàn)應力。一般情況下在目標焊口上、下游各開(kāi)挖至少25 m擺管作業(yè)坑（以Φ 1 219管徑為例，其他管徑可適當縮短），擺管作業(yè)坑與作業(yè)坑之間預留2 m原土堆層不開(kāi)挖，可 在釋放應力的同時(shí)對管口位移進(jìn)行一定限制。

以上兩種方式，都是以消減管口在斷開(kāi)時(shí)的徑向位移，同時(shí)抵消管道在斷開(kāi)瞬間釋放的巨大能量，從而有效阻止管口與斷管刀具之間的摩擦與碰撞。

4.3 斷管過(guò)程控制

（1）冷切割。優(yōu)先使用鉆銑刀加楔鐵的切割方式。鉆銑刀依靠自身旋轉磨削金屬來(lái)實(shí)現切割管道，切出的刀口寬度近20 mm，可以幫助管線(xiàn)釋放自身應力。在斷管過(guò)程中，要注意控制進(jìn)刀速度，保證勻速進(jìn)刀，可以選擇切割的起點(diǎn)位置在3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向，在管口之間及時(shí)打入楔鐵，可防止管口因產(chǎn)生軸向位移而對刀具產(chǎn)生擠壓和卡阻。

（2）火焰切管。在火焰切割機上安裝遠程遙控裝置，可以遠距離控制切管機，避免站在管道附近的操作人員在管道應力突然釋放時(shí)受傷。另外，目前火焰切割機為單割炬，可將火焰切割機制成雙把切割，并增加軸向切割功能，可同時(shí)進(jìn)行抽條和斷管，使整個(gè)切管過(guò)程更加可控。

4.4 應力測試研究

開(kāi)展應力與彈開(kāi)方式研究，在切管前用多種方法測量切割管口兩側應力，預判斷管后的彈開(kāi)方向，并在斷管后比對，建立數據庫，最終達到準確預判的效果。開(kāi)展季節、溫度、溫差等對管道應力的影響研究。

5 小結

目前，管道輸送企業(yè)換管動(dòng)火作業(yè)頻率較高，由于現場(chǎng)情況復雜，切管過(guò)程中應力突然釋放的情況時(shí)有發(fā)生，給作業(yè)帶來(lái)不穩定因素。提出的控制措施，可降低作業(yè)風(fēng)險，保證斷管作業(yè)順利進(jìn)行。

作者：姚佳林， 1986年生，助理工程師， 2007年畢業(yè)于武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電設備專(zhuān)業(yè)，現主要從事天然氣管道應急搶修技術(shù)工作。