西氣東輸管道公司南京應(yīng)急搶修中心

天然氣長輸管道發(fā)生泄漏、損傷等情況下，需要進行換管作業(yè)。埋地管道長時間受多重載荷影響而產(chǎn)生應(yīng)力，換管作業(yè)中管道在斷開時應(yīng)力會突然釋放，嚴(yán)重威脅人員及設(shè)備安全。通過分析長輸管道應(yīng)力產(chǎn)生的原因提出應(yīng)對措施。

1 長輸管道應(yīng)力現(xiàn)狀

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

2 管口位移分析

2.1 應(yīng)力作用分析

在應(yīng)力載荷和持續(xù)載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力為一次應(yīng)力。一次應(yīng)力與外力始終平衡，它隨所加荷載的增加而增大，超過屈服極限將使管道發(fā)生塑性破壞，或者整體變形。二次應(yīng)力是由于溫度變化、端點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(yīng)力和剪應(yīng)力。二次應(yīng)力的特點是具有自限性，當(dāng)局部范圍內(nèi)的材料產(chǎn)生屈服或小量變形時，相鄰部分之間的約束便得到緩和，使變形趨向協(xié)調(diào)，不再繼續(xù)發(fā)展，而應(yīng)力自動地限制在一定范圍內(nèi)，但在應(yīng)變多次重復(fù)交變情況下，可能引起管道的疲勞破壞。

實際作業(yè)中管口往往同時受軸向及徑向應(yīng)力，斷口處各時鐘點位的應(yīng)力差別較大，甚至可能受彎矩作用而在斷口一側(cè)存在拉應(yīng)力而另一側(cè)卻存在壓應(yīng)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后，兩道管口之間會發(fā)生上下左右各個方向的瞬間錯邊位移，如圖 1所示。軸向位移則根據(jù)管道在軸向上的受力有所不同，如管 道受拉應(yīng)力，則切管中即將切斷時，管體瞬間撕開（圖 2）；如管道受擠應(yīng)力，則管道即將斷開時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(yīng)力復(fù)雜，斷管后管口位移情形差別也較大，管口應(yīng)力聚集的巨大能量得到瞬間釋放，威脅人員及設(shè)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(shè)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

管道長期運行中，應(yīng)力過度集中，導(dǎo)致管道發(fā)生塑性變形，造成局部橢圓度過大，由于軸向應(yīng)力存在拉應(yīng)力或擠應(yīng)力，對該管道斷管施工時將產(chǎn)生如下影響。

采用分瓣式切管機進行冷切割時，如果存在擠應(yīng)力，會出現(xiàn)管壁割透刀具進給距離不一致的現(xiàn)象，因而在斷管結(jié)束前，未完全切透的管壁剩余壁厚因不能承載前后管線應(yīng)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，斷管時管道壁厚可以均勻減小，但在管體完全斷開時，前后管道元件由于應(yīng)力作用也會對刀具造成擠壓卡阻，且管段無法被順利吊出。如果出現(xiàn)拉應(yīng)力，管道在臨近切割完成時，由于連接管道無法承受強大的拉應(yīng)力，管道未切開的剩余部分瞬間撕開，可能造成人員受傷和設(shè)備損壞。

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

3.2 徑向位移產(chǎn)生的影響

管道在斷開瞬間，管道應(yīng)力得到釋放，管口產(chǎn)生較大徑向位移并產(chǎn)生大幅振動，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(dǎo)致管口卡死，應(yīng)力無法釋放，影響作業(yè)進度。

4 控制措施

4.1 管段卡阻無法吊出情況的處理

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（開天窗），最終切下一個環(huán)形缺口達到充分釋放應(yīng)力的目的，此過程中隨時可能出現(xiàn)應(yīng)力突然釋放管口崩開的情況，因此，全過程需做好相應(yīng)安全措施。

4.2 斷管作業(yè)坑處理

（1）為了防止管線在斷開瞬間發(fā)生大幅位移，在斷管施工前，對切割管線預(yù)先做好支撐與壓制。支撐可以采用千斤頂?shù)确绞�，壓制采用機械對管線左右固定。

（2）開挖擺管作業(yè)坑釋放管線應(yīng)力。一般情況下在目標(biāo)焊口上、下游各開挖至少25 m擺管作業(yè)坑（以Φ 1 219管徑為例，其他管徑可適當(dāng)縮短），擺管作業(yè)坑與作業(yè)坑之間預(yù)留2 m原土堆層不開挖，可 在釋放應(yīng)力的同時對管口位移進行一定限制。

以上兩種方式，都是以消減管口在斷開時的徑向位移，同時抵消管道在斷開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(zhuǎn)磨削金屬來實現(xiàn)切割管道，切出的刀口寬度近20 mm，可以幫助管線釋放自身應(yīng)力。在斷管過程中，要注意控制進刀速度，保證勻速進刀，可以選擇切割的起點位置在3點鐘和9點鐘方向，在管口之間及時打入楔鐵，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(yīng)力突然釋放時受傷。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，可同時進行抽條和斷管，使整個切管過程更加可控。

4.4 應(yīng)力測試研究

開展應(yīng)力與彈開方式研究，在切管前用多種方法測量切割管口兩側(cè)應(yīng)力，預(yù)判斷管后的彈開方向，并在斷管后比對，建立數(shù)據(jù)庫，最終達到準(zhǔn)確預(yù)判的效果。開展季節(jié)、溫度、溫差等對管道應(yīng)力的影響研究。

5 小結(jié)

目前，管道輸送企業(yè)換管動火作業(yè)頻率較高，由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，切管過程中應(yīng)力突然釋放的情況時有發(fā)生，給作業(yè)帶來不穩(wěn)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(shè)備專業(yè)，現(xiàn)主要從事天然氣管道應(yīng)急搶修技術(shù)工作。