含焊接接頭輸氣管線殘余應(yīng)力測(cè)試研究

張自發(fā) 張廣學(xué) 房 振

（鄂爾多斯市營(yíng)盤壕煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入逐步加大，很多淺埋輸氣管道建設(shè)于煤礦上方，煤炭開采后形成大范圍的采空區(qū)，會(huì)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(huì)使不同管段受力有差異，一旦超過(guò)容許值，最終可能導(dǎo)致管道輸送介質(zhì)泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生管線斷裂。管線在服役過(guò)程中不僅會(huì)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(shí)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(duì)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(cè)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(shí)驗(yàn)室特別是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最成熟、最簡(jiǎn)便的殘余應(yīng)力測(cè)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(cè)試對(duì)象，采用鉆孔法測(cè)試分析變形最嚴(yán)重處（下沉360mm）管體與管接頭殘余應(yīng)力的分布狀況，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，為該管線的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 測(cè)試方案

采用鉆孔法對(duì)G010-10輸氣管線進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，管線材質(zhì)為20#鋼，尺寸為Φ60mm×6mm，設(shè)計(jì)壓力為25MPa，運(yùn)行壓力為5.3MPa。測(cè)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(cè)試過(guò)程依照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定-鉆孔應(yīng)變法》（GB/T31310-2014）[7]進(jìn)行。為了對(duì)比研究，對(duì)含焊接接頭管段分兩部分殘余應(yīng)力測(cè)試，其中一部分在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，另一部分在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)截取的管線的焊縫和管體進(jìn)行測(cè)試，具體方案如下：

（1）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的管體，測(cè)試三條線（以面對(duì)來(lái)氣方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，位置分布分別為3點(diǎn)鐘、4點(diǎn)半鐘、9點(diǎn)鐘），每條線上布4個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)的間隔為200mm，此管線的測(cè)試點(diǎn)數(shù)共計(jì)12個(gè)點(diǎn)。

（2）對(duì)于截取后寄回實(shí)驗(yàn)室的管段，沿管段軸向共測(cè)試了3條線（以面對(duì)來(lái)氣方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，位置分布分別為3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘），每條線為11個(gè)點(diǎn)。每條線上的點(diǎn)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(jì)33個(gè)點(diǎn)。布點(diǎn)示意圖如圖1所示。為了進(jìn)行對(duì)比，對(duì)取回的管體也進(jìn)行了測(cè)試，同樣測(cè)試了三條線（以面對(duì)來(lái)氣方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，位置分布分別為3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘），每條線上布4個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)的間隔為50mm，此管線的測(cè)試點(diǎn)數(shù)共計(jì)12個(gè)點(diǎn)。

圖1 輸氣管線殘余應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)圖

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 焊接接頭殘余應(yīng)力

圖2為G010-10輸氣管線管接頭殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。可以看出，管接頭區(qū)域主要是殘余拉應(yīng)力，其中以6點(diǎn)鐘位置焊縫中心殘余拉應(yīng)力最大，為318MPa，3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘方向殘余應(yīng)力均較6點(diǎn)鐘低，整體的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)為從焊縫到母材逐漸降低，均符合管接頭的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。管接頭殘余應(yīng)力測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室完成的，該管段的殘余應(yīng)力幾乎與管線埋地變形等無(wú)關(guān)，但是管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 輸氣管線管接頭殘余應(yīng)力分布圖

2.2 管體殘余應(yīng)力

對(duì)輸氣管線的管體區(qū)域分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3～圖5所示。可以看出，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的管體的殘余應(yīng)力的數(shù)值均基本高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)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。3點(diǎn)鐘方向的軸向應(yīng)力主要受殘余拉應(yīng)力，其中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的殘余應(yīng)力明顯高于實(shí)驗(yàn)室，環(huán)向殘余應(yīng)力較小且相差不大，如圖3所示。6點(diǎn)鐘方向的軸向應(yīng)力主要受殘余壓應(yīng)力，同樣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的殘余應(yīng)力明顯高于實(shí)驗(yàn)室，環(huán)向殘余應(yīng)力較小且相差不大，如圖4所示。9點(diǎn)鐘的軸向殘余應(yīng)力較小，主要受壓應(yīng)力與3點(diǎn)鐘方向的殘余應(yīng)力有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的殘余應(yīng)力稍高于實(shí)驗(yàn)室且相差不大，如圖5所示。

仔細(xì)對(duì)比分析圖3～圖5中結(jié)果不難看出，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘位置的殘余應(yīng)力，無(wú)論是軸向還是環(huán)向殘余應(yīng)力均維持在很低的水平，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的殘余應(yīng)力從絕對(duì)值上均大于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果。兩種狀態(tài)最大的區(qū)別是：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)管段處于約束狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)管段處于自由狀態(tài)，說(shuō)明管段在管線中的約束狀態(tài)對(duì)其殘余應(yīng)力有較大的影響。值得說(shuō)明的是，由于受到管線后續(xù)服役要求的限制，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的鉆孔深度淺于實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(yīng)力肯定未得到完全釋放，但測(cè)試值仍然高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，說(shuō)明管線殘余應(yīng)力肯定高于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。因此，在整條埋地管線中，土層塌陷等情況對(duì)管線的殘余應(yīng)力數(shù)值和分布狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

圖3 管體3點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖4 管體6點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖5 管體9點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)果分析與討論

針對(duì)安裝于烏審旗地區(qū)的G010-10輸氣管線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)殘余應(yīng)力測(cè)試，為保證管線和測(cè)試安全，管線處于停輸和放空狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果偏小于服役狀態(tài)的殘余應(yīng)力。無(wú)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。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(huì)發(fā)生較大的變化。

由于焊接過(guò)程的特殊熱過(guò)程和安裝過(guò)程中的拘束狀態(tài)等，管接頭殘余應(yīng)力整體較大。另外，管接頭因?yàn)楹附影惭b過(guò)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，管接頭是管線服役過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)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(duì)于整條管線來(lái)說(shuō)，服役過(guò)程中的內(nèi)部壓力會(huì)對(duì)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(huì)使管線產(chǎn)生比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(xiǎn)。所以，加大對(duì)管線缺陷尤其是管接頭區(qū)域的缺陷巡查十分必要。

4 結(jié) 論

針對(duì)烏審旗地區(qū)的G010-10輸氣管線下沉360mm處進(jìn)行了含焊接接頭管線的現(xiàn)場(chǎng)殘余應(yīng)力測(cè)試，可安全運(yùn)行。管接頭區(qū)域6點(diǎn)鐘位置焊縫中心殘余拉應(yīng)力最大，是管線服役過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，應(yīng)定期對(duì)管接頭區(qū)域進(jìn)行缺陷巡查。同時(shí)檢測(cè)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。