含焊接接頭輸氣管線殘余應(yīng)力測試研究*

張廣學(xué)，房 振，徐秀清，李發(fā)根

(1.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入逐步加大,很多埋地輸氣管道建設(shè)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(dǎo)致管道輸送介質(zhì)泄漏，嚴(yán)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(nèi)壓作用，而且還應(yīng)考慮管體和焊接部位殘余應(yīng)力的影響。工作應(yīng)力和殘余應(yīng)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(yīng)力區(qū)極易產(chǎn)生疲勞破壞、應(yīng)力腐蝕開裂，嚴(yán)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(yīng)力的分布和特征對管線的安全運(yùn)行有著重要意義。

目前，進(jìn)行殘余應(yīng)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(yīng)變法；另一類是機(jī)械法，主要是鉆孔法和機(jī)械切割法，其中鉆孔法又稱小孔釋放法，是實驗室特別是現(xiàn)場應(yīng)用最成熟、最簡便的殘余應(yīng)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(yán)重處(下沉360 mm)管體與管接頭殘余應(yīng)力的分布狀況，并進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)和試驗室數(shù)據(jù)的對比分析，為該管線的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 測試方案

采用鉆孔法對G010-10輸氣管線進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，管線材質(zhì)為20#鋼，規(guī)格為Φ60 mm×6 mm，設(shè)計壓力為25 MPa，運(yùn)行壓力為5.3 MPa。測試設(shè)備為BE120-2CA-K型應(yīng)變花和CM-1L-32型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，測試過程依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31310-2014《金屬材料殘余應(yīng)力測定-鉆孔應(yīng)變法》[7]進(jìn)行。為了對比研究，對含焊接接頭管段分兩部分殘余應(yīng)力測試，其中一部分在現(xiàn)場進(jìn)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(jìn)行測試，具體方案如下：

1)對于現(xiàn)場的管體，測試三條線(以面對來氣方向為標(biāo)準(zhǔn)，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200 mm，此管線的測試點數(shù)共計12個點。由于現(xiàn)場積水嚴(yán)重，并不具備現(xiàn)場焊接接頭部位的檢測條件，加之管線焊接接頭部位表現(xiàn)出的殘余應(yīng)力主要是焊接殘余應(yīng)力，因此未對管線焊接接頭部位進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

2)對于截取后寄回試驗室的管段，沿管段軸向共測試了3條線(以面對來氣方向為標(biāo)準(zhǔn)，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-35、-20、-13、-8、-5、0、5、8、13、20、35 mm，三條線共計33個點，布點示意圖見圖1。為了進(jìn)行對比，對取回的管體也進(jìn)行了測試，同樣測試了三條線(以面對來氣方向為標(biāo)準(zhǔn)，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50 mm，此管線的測試點數(shù)共計12個點，如圖1所示。

圖1 輸氣管線殘余應(yīng)力測試布點圖

2 測試結(jié)果

2.1 焊接接頭殘余應(yīng)力

圖2為G010-10輸氣管線焊接接頭殘余應(yīng)力測試結(jié)果?？梢钥闯觯敋夤芫€焊接接頭區(qū)域主要是殘余拉應(yīng)力，其中以6點鐘位置焊縫中心殘余拉應(yīng)力最大，為318 MPa。3點鐘、9點鐘方向殘余應(yīng)力均較6點鐘低，整體的殘余應(yīng)力分布趨勢為從焊縫到母材逐漸降低，均符合管線焊接接頭的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。輸氣管線焊接接頭殘余應(yīng)力測試是在試驗室完成的，該管段的殘余應(yīng)力幾乎與管線埋地變形等無關(guān)，但是管線焊接接頭較大的殘余拉應(yīng)力與埋地變形應(yīng)力疊加后的應(yīng)力狀態(tài)值得關(guān)注。

圖2 輸氣管線焊接接頭殘余應(yīng)力分布圖

2.2 管體殘余應(yīng)力

對輸氣管線的管體區(qū)域分別進(jìn)行了現(xiàn)場和試驗室殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果如圖3～圖5所示?？梢钥闯?，現(xiàn)場測得的管體的殘余應(yīng)力主要為殘余壓應(yīng)力，且數(shù)值均高于試驗室測得的殘余應(yīng)力，其中軸向殘余應(yīng)力要高于環(huán)向殘余應(yīng)力，相對而言9點鐘的軸向殘余應(yīng)力較小，均在100 MPa以內(nèi)。從測試結(jié)果看，環(huán)向殘余應(yīng)力均較小且相差不大，如圖3～5中右圖所示。

仔細(xì)對比分析圖3～圖5中結(jié)果不難看出，試驗室測試的3點鐘、6點鐘、9點鐘位置的殘余應(yīng)力，無論是軸向還是環(huán)向殘余應(yīng)力均小于50 MPa，但現(xiàn)場測試的殘余應(yīng)力從絕對值上均大于實驗室測試結(jié)果。兩種狀態(tài)最大的區(qū)別是：現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)場測試時的鉆孔深度淺于實驗室測試，鉆孔深度均控制在1.5 mm，小于要求的2.5 mm，附近區(qū)域的殘余應(yīng)力肯定未得到完全釋放，但測試值仍然高于試驗室測試結(jié)果，說明管線殘余應(yīng)力肯定會略高于現(xiàn)場測試結(jié)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(yīng)力數(shù)值和分布狀態(tài)會產(chǎn)生很大的影響。

圖3 管體3點鐘位置殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖4 管體6點鐘位置殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖5 管體9點鐘位置殘余應(yīng)力測試結(jié)果

3 結(jié)果分析與討論

本研究針對安裝于烏審旗地區(qū)的G010-10輸氣管線，進(jìn)行了現(xiàn)場殘余應(yīng)力測試，為了保證管線和測試安全，管線處于停輸和放空狀態(tài)，所以測試結(jié)果偏小于服役狀態(tài)的殘余應(yīng)力?？傮w而言，無論是環(huán)向殘余應(yīng)力還是軸向殘余應(yīng)力，放空狀態(tài)的G010-10輸氣管線管體均呈現(xiàn)出較低的殘余應(yīng)力水平。相比而言，環(huán)向殘余應(yīng)力均基本小于軸向殘余應(yīng)力，這與管線處于放空狀態(tài)有關(guān)。管線內(nèi)部存在較高氣壓后，管體的殘余應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大的變化，尤其是環(huán)向應(yīng)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，輸氣管線焊接接頭殘余應(yīng)力整體較大。另外，管線焊接接頭因為焊接安裝過程的特殊性，又是工藝性缺陷和結(jié)構(gòu)性缺陷多發(fā)的區(qū)域，所以，輸氣管線焊接接頭是管線服役過程中應(yīng)該重點關(guān)注的區(qū)域。前已敘及，環(huán)向殘余應(yīng)力較低的主要原因與管線放空直接相關(guān)。對于整條管線來說，服役過程中的內(nèi)部壓力會對管線產(chǎn)生較大的環(huán)向工作應(yīng)力。環(huán)向工作應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力的共同作用，會使管線產(chǎn)生比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，嚴(yán)重時會在管線上形成比較嚴(yán)重的三向應(yīng)力狀態(tài)，增加管線發(fā)生脆性開裂的風(fēng)險。所以，加大對管線缺陷尤其是焊接接頭區(qū)域的缺陷巡查十分必要。

4 結(jié) 論

針對烏審旗地區(qū)的G010-10輸氣管線下沉360 mm處進(jìn)行了含焊接接頭管線的現(xiàn)場殘余應(yīng)力測試，得出管體殘余應(yīng)力均在150 MPa以內(nèi)，可安全運(yùn)行；輸氣管線焊接接頭區(qū)域6點鐘位置焊縫中心殘余拉應(yīng)力最大，是管線服役過程中應(yīng)該重點關(guān)注的區(qū)域，應(yīng)定期對焊接接頭區(qū)域進(jìn)行缺陷巡查。同時檢測結(jié)果也為下沉量接近的其他類似輸氣管線應(yīng)力狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)參考。