含焊接接頭輸氣管線殘余應力測試研究

張自發(fā) 張廣學 房 振

（鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300）

隨著我國基礎設施建設投入逐步加大，很多淺埋輸氣管道建設于煤礦上方，煤炭開采后形成大范圍的采空區(qū)，會引發(fā)地面沉陷和輸氣管線不均勻彎曲變形。管線變形必然會使不同管段受力有差異，一旦超過容許值，最終可能導致管道輸送介質泄漏，嚴重時會發(fā)生管線斷裂。管線在服役過程中不僅會受到各種外部載荷、內壓作用，而且還應考慮管體和焊接部位殘余應力的影響。工作應力和殘余應力疊加，使得管線的實際受力增加，尤其是焊縫和熱影響區(qū)等局部高應力區(qū)極易產生疲勞破壞、應力腐蝕開裂，嚴重影響油氣輸送管線的使用壽命[1-4]。因此，研究變形管線殘余應力的分布和特征對管線的安全運行有著重要意義。

目前，進行殘余應力測試的方法主要分為兩類：一類是物理法，主要包括X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲法以及壓痕應變法；另一類是機械法，主要是鉆孔法和機械切割法，其中鉆孔法又稱小孔釋放法，是實驗室特別是現場應用最成熟、最簡便的殘余應力測量方法之一[5-6]。本文以新開采的某煤礦上方已發(fā)生下沉的G010-10輸氣管線為測試對象，采用鉆孔法測試分析變形最嚴重處（下沉360mm）管體與管接頭殘余應力的分布狀況，并進行現場數據和實驗室數據的對比分析，為該管線的安全運行提供技術支撐。

1 測試方案

采用鉆孔法對G010-10輸氣管線進行殘余應力測試，管線材質為20#鋼，尺寸為Φ60mm×6mm，設計壓力為25MPa，運行壓力為5.3MPa。測試設備為BE120-2CA-K型應變花和CM-1L-32型靜態(tài)電阻應變儀，測試過程依照標準《金屬材料殘余應力測定-鉆孔應變法》（GB/T31310-2014）[7]進行。為了對比研究，對含焊接接頭管段分兩部分殘余應力測試，其中一部分在現場進行測試，另一部分在實驗室中對截取的管線的焊縫和管體進行測試，具體方案如下：

（1）對于現場的管體，測試三條線（以面對來氣方向為標準，位置分布分別為3點鐘、4點半鐘、9點鐘），每條線上布4個點，點與點的間隔為200mm，此管線的測試點數共計12個點。

（2）對于截取后寄回實驗室的管段，沿管段軸向共測試了3條線（以面對來氣方向為標準，位置分布分別為3點鐘、6點鐘、9點鐘），每條線為11個點。每條線上的點距焊縫中心的距離分別為 -35mm、-20mm、-13mm、-8mm、-5mm、0、5mm、8mm、13mm、20mm、35mm，三條線共計33個點。布點示意圖如圖1所示。為了進行對比，對取回的管體也進行了測試，同樣測試了三條線（以面對來氣方向為標準，位置分布分別為3點鐘、6點鐘、9點鐘），每條線上布4個點，點與點的間隔為50mm，此管線的測試點數共計12個點。

圖1 輸氣管線殘余應力測試布點圖

2 測試結果

2.1 焊接接頭殘余應力

圖2為G010-10輸氣管線管接頭殘余應力測試結果。可以看出，管接頭區(qū)域主要是殘余拉應力，其中以6點鐘位置焊縫中心殘余拉應力最大，為318MPa，3點鐘、9點鐘方向殘余應力均較6點鐘低，整體的殘余應力分布趨勢為從焊縫到母材逐漸降低，均符合管接頭的殘余應力分布規(guī)律。管接頭殘余應力測試是在實驗室完成的，該管段的殘余應力幾乎與管線埋地變形等無關，但是管接頭較大的殘余拉應力與埋地變形應力疊加后的應力狀態(tài)值得關注。

圖2 輸氣管線管接頭殘余應力分布圖

2.2 管體殘余應力

對輸氣管線的管體區(qū)域分別進行了現場和實驗室殘余應力測試，測試結果如圖3～圖5所示?？梢钥闯?，現場測得的管體的殘余應力的數值均基本高于實驗室測得的殘余應力，其中軸向殘余應力要高于環(huán)向殘余應力。3點鐘方向的軸向應力主要受殘余拉應力，其中現場測得的殘余應力明顯高于實驗室，環(huán)向殘余應力較小且相差不大，如圖3所示。6點鐘方向的軸向應力主要受殘余壓應力，同樣現場測得的殘余應力明顯高于實驗室，環(huán)向殘余應力較小且相差不大，如圖4所示。9點鐘的軸向殘余應力較小，主要受壓應力與3點鐘方向的殘余應力有一定對應關系，現場測得的殘余應力稍高于實驗室且相差不大，如圖5所示。

仔細對比分析圖3～圖5中結果不難看出，實驗室測試的3點鐘、6點鐘、9點鐘位置的殘余應力，無論是軸向還是環(huán)向殘余應力均維持在很低的水平，但現場測試的殘余應力從絕對值上均大于實驗室測試結果。兩種狀態(tài)最大的區(qū)別是：現場測試時管段處于約束狀態(tài)，而實驗室測試時管段處于自由狀態(tài)，說明管段在管線中的約束狀態(tài)對其殘余應力有較大的影響。值得說明的是，由于受到管線后續(xù)服役要求的限制，現場測試時的鉆孔深度淺于實驗室測試，鉆孔深度均控制在1.5mm，小于要求的2.5mm，附近區(qū)域的殘余應力肯定未得到完全釋放，但測試值仍然高于實驗室測試結果，說明管線殘余應力肯定高于現場測試結果。因此，在整條埋地管線中，土層塌陷等情況對管線的殘余應力數值和分布狀態(tài)會產生很大的影響。

圖3 管體3點鐘位置殘余應力測試結果

圖4 管體6點鐘位置殘余應力測試結果

圖5 管體9點鐘位置殘余應力測試結果

3 結果分析與討論

針對安裝于烏審旗地區(qū)的G010-10輸氣管線進行了現場殘余應力測試，為保證管線和測試安全，管線處于停輸和放空狀態(tài)，測試結果偏小于服役狀態(tài)的殘余應力。無論是環(huán)向殘余應力還是軸向殘余應力，放空狀態(tài)的G010-10輸氣管線管體均呈現出較低的殘余應力水平。環(huán)向殘余應力均基本小于軸向殘余應力，這與管線處于放空狀態(tài)有關。管線內部存在較高氣壓后，管體的殘余應力狀態(tài)發(fā)生較大的變化，尤其是環(huán)向應力會發(fā)生較大的變化。

由于焊接過程的特殊熱過程和安裝過程中的拘束狀態(tài)等，管接頭殘余應力整體較大。另外，管接頭因為焊接安裝過程的特殊性，又是工藝性缺陷和結構性缺陷多發(fā)的區(qū)域，所以，管接頭是管線服役過程中應該重點關注的區(qū)域。前已敘及，環(huán)向殘余應力較低的主要原因與管線放空直接相關。對于整條管線來說，服役過程中的內部壓力會對管線產生較大的環(huán)向工作應力。環(huán)向工作應力和軸向殘余應力的共同作用，會使管線產生比較復雜的應力狀態(tài)，嚴重時會在管線上形成比較嚴重的三向應力狀態(tài)，增加管線發(fā)生脆性開裂的風險。所以，加大對管線缺陷尤其是管接頭區(qū)域的缺陷巡查十分必要。

4 結 論

針對烏審旗地區(qū)的G010-10輸氣管線下沉360mm處進行了含焊接接頭管線的現場殘余應力測試，可安全運行。管接頭區(qū)域6點鐘位置焊縫中心殘余拉應力最大，是管線服役過程中應該重點關注的區(qū)域，應定期對管接頭區(qū)域進行缺陷巡查。同時檢測結果也為下沉量接近的其他類似輸氣管線應力狀態(tài)分析提供數據參考。