淺析應(yīng)力對(duì)高壓燃?xì)獯罂趶戒摴荑偨淤|(zhì)量的影響

上海煤氣第一管線工程有限公司 潘晨翔

西氣東輸上海段的DN800主干管網(wǎng)于2002年開始建設(shè)，最早的管道已經(jīng)運(yùn)行了近二十年。隨著城市建設(shè)和管網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，新舊管道的鑲接施工不可避免，因此鑲接焊縫質(zhì)量顯得尤為重要。在常規(guī)的排管工程中，管道連接焊縫除了無(wú)損檢測(cè)外，還用強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)來(lái)為焊縫質(zhì)量做“雙保險(xiǎn)”。但是在新舊管道的鑲接焊縫上，只能根據(jù)無(wú)損檢測(cè)報(bào)告的結(jié)果來(lái)評(píng)定焊縫質(zhì)量。從施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鑲接焊縫施工不僅要求較高，其施工難度也往往大于一般焊縫的施工，這最主要的原因就是運(yùn)行的老管道上會(huì)產(chǎn)生各種應(yīng)力，給焊接環(huán)境和焊縫質(zhì)量帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

1 應(yīng)力的分類及產(chǎn)生的原因

管道在運(yùn)行過(guò)程中受到外界環(huán)境影響會(huì)產(chǎn)生大小不一的應(yīng)力，按其產(chǎn)生的原因可分為拼裝應(yīng)力、沉降應(yīng)力、溫度應(yīng)力和磁化應(yīng)力4類。

1.1 拼裝應(yīng)力

拼裝應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是管道在施工過(guò)程中由于環(huán)境限制等情況，強(qiáng)行借轉(zhuǎn)角度來(lái)進(jìn)行組對(duì)拼接，最后帶著應(yīng)力完成施焊。拼裝應(yīng)力的大小和對(duì)管道的借轉(zhuǎn)校正量的大小有關(guān)，借轉(zhuǎn)校正量越大，拼裝應(yīng)力越大。

1.2 沉降應(yīng)力

沉降應(yīng)力主要是指由于地面不均勻沉降而對(duì)管道產(chǎn)生的相應(yīng)不均勻受力，從而在管道內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。由于地面的不均勻沉降是日積月累慢慢造成的，所以管道的內(nèi)部沉降應(yīng)力也是慢慢積攢而成的。此外，沉降應(yīng)力還應(yīng)該包括管道在各種荷載作用下產(chǎn)生的變形所造成的內(nèi)應(yīng)力。

1.3 溫度應(yīng)力

天然氣管道的運(yùn)行溫度可視為環(huán)境溫度，因此溫度對(duì)于天然氣管道產(chǎn)生的應(yīng)力較小。但是在管道進(jìn)行焊接時(shí)，熔池溫度非常高。根據(jù)伯樂焊條實(shí)驗(yàn)室的熔池溫度試驗(yàn)，熔池溫度采集的數(shù)據(jù)各不相同(具體如焊條直徑、施焊電壓、運(yùn)條速度、焊條內(nèi)部偏差等都會(huì)造成溫度不同)，但是大致呈現(xiàn)正態(tài)分布，峰值不超過(guò)2 200 ℃，主要溫度區(qū)間在 1 760 ～1 980 ℃之間。管道在焊接冷卻后產(chǎn)生環(huán)向收縮，但此時(shí)環(huán)向收縮又受到了管道壁環(huán)端的制約，從而會(huì)產(chǎn)生軸向的溫度應(yīng)力。事實(shí)上，由于根焊、填充焊和蓋面焊所采用的焊接參數(shù)不同，且每層焊接冷卻時(shí)間也不相同，因此產(chǎn)生的溫度殘余應(yīng)力也不相同。

1.4 磁化應(yīng)力

磁化應(yīng)力主要是由于管道磁化或部分磁化后在管道內(nèi)部形成的應(yīng)力。造成管道磁化的一種情況是管道在施工中經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)作用環(huán)節(jié)，如采用了強(qiáng)磁性清通器的多遍清通施工，以及在高壓閥門邊上的焊縫不使用射線探傷而改用磁粉探傷無(wú)損檢測(cè)。另一種情況是如果管道長(zhǎng)期在帶有強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行，譬如敷設(shè)在高壓電力電纜邊上的天然氣管道(有一段并行)，也會(huì)使管道磁化，進(jìn)一步產(chǎn)生磁化應(yīng)力。

2 應(yīng)力對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

管道施工中如果帶有較大的應(yīng)力，肯定會(huì)對(duì)組對(duì)焊接帶來(lái)較大的負(fù)面影響，其中影響最大的就是對(duì)口間隙和錯(cuò)變量，最終導(dǎo)致管道焊接時(shí)發(fā)生未焊透、氣孔、裂紋等焊縫缺陷。其中未焊透是由于管道對(duì)口間隙較小所造成的；氣孔則是由于熔池內(nèi)的氣體未完全跑出，也是和對(duì)口間隙小、運(yùn)條速度快等原因密切相關(guān)的；裂紋則是由于本身冷卻的應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的(尤其有些舊管道的管材并不是X60及以上的合金鋼，強(qiáng)度相對(duì)較低，最終引起裂紋)。

雖然對(duì)存在上述缺陷的管道焊縫可以進(jìn)行返修后認(rèn)定為合格，或者說(shuō)當(dāng)氣孔等較小較少時(shí)，可判定為II級(jí)合格片，理論上并不影響管道的使用，但是管道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后總會(huì)逐漸老化，肯定也會(huì)減少管道的使用壽命，所以必須認(rèn)識(shí)到管道應(yīng)力對(duì)鑲接焊縫質(zhì)量的危害性，應(yīng)采取一系列的措施來(lái)減少乃至消除管道應(yīng)力對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

3 應(yīng)力的解決措施

對(duì)于管道應(yīng)力的解決措施，主要從兩方面來(lái)進(jìn)行分析，一方面是減少或消除管道應(yīng)力對(duì)鑲接焊縫的影響；另一方面則是在新的鑲接焊縫上控制盡量少的產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

3.1 應(yīng)力消除措施

3.1.1 應(yīng)力釋放

對(duì)于帶有拼裝應(yīng)力、沉降應(yīng)力的舊管道，最簡(jiǎn)單有效的應(yīng)力消除措施就是應(yīng)力釋放。在新舊管道鑲接前，先將舊管道進(jìn)行切割，考慮到應(yīng)力的不確定性，任其兩端進(jìn)行自由的收縮和位移，即應(yīng)力釋放，將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，待應(yīng)力釋放完全后，再對(duì)其進(jìn)行二次切割，打磨坡口修整，進(jìn)行重新精確測(cè)量后下料，使得組對(duì)變得更加簡(jiǎn)便和有效。

3.1.2 疊加反應(yīng)力場(chǎng)

如果舊管道上帶有不能進(jìn)行應(yīng)力釋放的應(yīng)力(譬如磁化應(yīng)力)，那為了確保在焊接時(shí)消除應(yīng)力的影響，只有對(duì)管道疊加相反的應(yīng)力場(chǎng)來(lái)抵消本身的應(yīng)力效果。

例如，在東海天然氣2.5 MPa沈杜支線閥門井改造工程項(xiàng)目中遇到過(guò)老管道整體磁化應(yīng)較為強(qiáng)烈的情況，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了310 Gs，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)超過(guò)100 Gs就需要采用消磁儀來(lái)疊加相反立場(chǎng)來(lái)進(jìn)行消磁，即對(duì)老管道兩端套上通電線圈，以生成相反的電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)老管道進(jìn)行消磁，磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在10 Gs以內(nèi)。

3.2 應(yīng)力控制措施

3.2.1 增加鑲接焊口數(shù)

如果新排高壓管道與原高壓管道采用一根直管進(jìn)行鑲接，如圖 1所示，即“一管兩口”，看起來(lái)施工比較便捷。但實(shí)際施工中會(huì)發(fā)現(xiàn)新舊管道并非能處于同一水平線，總是存在高差。若強(qiáng)行拼裝產(chǎn)生的應(yīng)力非常大，鑲接用的短管會(huì)變形為彎管。在高壓管道的施工規(guī)范中明確規(guī)定禁止對(duì)鋼制彎管進(jìn)行坡口，即使是對(duì)直管坡口也不能超過(guò)管道外徑的 1%。這種情況下，可采用多加一段管段進(jìn)行鑲接，即“兩管三口”，如圖2所示。

圖1 一管兩口鑲接示意

圖2 兩管三口鑲接示意

此時(shí)就可以進(jìn)行借轉(zhuǎn)角度的適當(dāng)調(diào)節(jié)，找到更合適的對(duì)口間隙，也更容易用坡口處理好鈍邊量，通過(guò)修整最終達(dá)到減少管道的拼裝應(yīng)力。

3.2.2 優(yōu)化焊接工藝

雖然施工的焊接工藝評(píng)定和工藝卡相對(duì)較成熟，但是在每個(gè)項(xiàng)目的具體環(huán)境下，契合度也是會(huì)有上下浮動(dòng)，所以要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施焊環(huán)境，制定更為準(zhǔn)確的焊接工藝卡，優(yōu)化焊接工藝，改善焊接應(yīng)力狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊縫的影響。例如在溫度較低、濕度較高的情況下，就需要在焊接工藝評(píng)定的允許取值范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)情況，將焊接工藝卡中的焊接電流調(diào)大，將焊接運(yùn)條速度取小值。

3.2.3 綜合考慮溫度補(bǔ)償

焊接溫度帶來(lái)的影響也會(huì)使得管道長(zhǎng)度發(fā)生變化，雖然變化不大，但是仍然會(huì)對(duì)管道內(nèi)部產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力。為了控制應(yīng)力對(duì)焊縫的影響，在組對(duì)焊接管道時(shí)，也應(yīng)該綜合考慮溫度補(bǔ)償量，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，ΔL——管道的伸縮量，m；

Δt——溫度變化量，℃；

L——管道的實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度，m；

α——鋼材的線性膨脹系數(shù)，X52鋼材的取值為 12.77×10－6m/(m·℃)。

以X52的DN500管道為例，管道的焊接溫度約為350 ℃，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度約30 ℃，即Δt=320 ℃；焊接溫度對(duì)管道的主要影響區(qū)間大致在管道兩側(cè)各15 cm，則L=0.15 m；代入式(1)可得出，受溫度影響的管道伸縮量ΔL為0.613 mm。根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，一般實(shí)際的影響值要略少于計(jì)算值，所以只要在原有的對(duì)口間隙基礎(chǔ)上再修口打磨掉0.4 mm，就是最終的實(shí)際尺寸。

對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量是造成拼裝應(yīng)力最主要的原因之一，所以控制拼裝應(yīng)力的最有效措施是源頭上提高管口的組對(duì)質(zhì)量，合理設(shè)置對(duì)口間隙，控制錯(cuò)邊量。綜合考慮溫度補(bǔ)償對(duì)于實(shí)際拼裝應(yīng)力的消除也是至關(guān)重要。

4 工程實(shí)例

在莊胡公路果苗涇河改造工程項(xiàng)目中，長(zhǎng)度為380 m，管材為X52，壓力6.0 MPa的DN800管道經(jīng)定向穿越河道后，兩端分別與老管道進(jìn)行鑲接。由于該鑲接施工位置距離鐵路高架較近，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境不佳，鑲接坑開挖后采用了拉森鋼板樁進(jìn)行圍護(hù)。

當(dāng)切割原直埋高壓管中擬廢除管道，靜置一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)應(yīng)力釋放后，該管道收縮撓度較大，即管端向上偏離水平約3.7 °，也就是說(shuō)新老管道同時(shí)存在水平和垂直偏差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量并充分考慮后，決定借助2只30 °水平彎頭、1只7 °垂直彎頭和2根直管(分別長(zhǎng)0.9 m和1.2 m)來(lái)完成新舊管道的連接，如圖3所示。

圖3 鑲接施工示意

在正式鑲接之前，首先將7°垂直彎頭和1.2 m直管焊接在定向穿越的出土管端，即將新管道借轉(zhuǎn)到和原管道的同一水平面；然后再焊接30 °水平彎頭 B做好鑲接的準(zhǔn)備工作。正式鑲接時(shí)采用 30 °水平彎管和0.9 m短管，即“兩管三口”的方案完成施工。在圖3中，鑲接點(diǎn)1為原管道和彎管A的焊縫，鑲接點(diǎn)2為彎管A和0.9 m短管的焊縫，鑲接點(diǎn)3為0.9 m短管和彎管B的焊縫。整個(gè)施工過(guò)程中，憑借現(xiàn)場(chǎng)非常精準(zhǔn)的施工測(cè)量和落料，有效地把管道焊縫的對(duì)口間隙都控制在許可范圍內(nèi)，確保順利完成了工程鑲接。

5 結(jié)語(yǔ)

在高壓燃?xì)獯罂趶戒摴荑偨舆^(guò)程中，焊縫的質(zhì)量與應(yīng)力大小與日后管網(wǎng)的運(yùn)行安全緊密相關(guān)。一旦發(fā)生狀況，都會(huì)引發(fā)非常嚴(yán)重的后果。只有通過(guò)對(duì)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和摸索，全面歸納管道中應(yīng)力形成的原因，認(rèn)真剖析其對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，才能在鑲接施工過(guò)程中采取相應(yīng)措施消除或緩解應(yīng)力帶來(lái)的影響，從而為工程的施工質(zhì)量提供有力的保障。