隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入逐步加大，許多淺埋輸氣管道建設(shè)在煤礦上方，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不同，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)重時管道會斷裂。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(shí)際受力增加，特別是焊縫和熱影響區(qū)等局部應(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。因此，對管線進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測分析是很有重要意義的。

本文以新開采的某煤礦上方已發(fā)生下沉的輸氣管線為測試對象，采用盲孔法測試分析變形*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)場數(shù)據(jù)和試驗(yàn)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。

殘余應(yīng)力檢測方案

采用盲孔法對輸氣管線進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，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，測試儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成。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，一部分在現(xiàn)場測試，另一部分在實(shí)驗(yàn)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?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），每條線上分布4個點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)的間隔為200mm。該管線的測試點(diǎn)數(shù)共計(jì)12個點(diǎn)。

2. 對于截取后寄回實(shí)驗(yàn)室的管段，沿管段軸向共測試了3條線（以面對來氣方向?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個點(diǎn)。為了進(jìn)行比較，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?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個點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)的間隔為50mm，此管線的測試點(diǎn)數(shù)共計(jì)12個點(diǎn)。

殘余應(yīng)力檢測結(jié)果分析

焊接接頭殘余應(yīng)力檢測結(jié)果分析

從輸氣管線管接頭殘余應(yīng)力檢測結(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*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)力檢測是在實(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。

管體殘余應(yīng)力檢測結(jié)果分析

對輸氣管線的管體區(qū)域分別進(jìn)行了現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室殘余應(yīng)力檢測。根據(jù)測試結(jié)果可得出，現(xiàn)場測量的管體殘余應(yīng)力的數(shù)值均基本高于實(shí)驗(yàn)室測量的殘余應(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)鐘方向的軸向方向主要受殘余應(yīng)力拉應(yīng)力，其中現(xiàn)場測得的殘余應(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。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)場測得殘余應(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。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)力有一定對應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)場測得的殘余應(yīng)力稍高于實(shí)驗(yàn)室且相差不大。

仔細(xì)對比試驗(yàn)結(jié)果不難看出，實(shí)驗(yàn)室測試的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘位置的殘余應(yīng)力，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力均維持在很低的水平，但現(xiàn)場測試的殘余應(yīng)力從絕對值上均大于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。兩種狀態(tài)*大的區(qū)別是：現(xiàn)場測試時管段處于約束狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)力肯定未得到完全釋放，但測試值仍然高于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，說明管線殘余應(yīng)力肯定高于現(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。

結(jié)果分析與討論

針對輸氣管線進(jìn)行了現(xiàn)場殘余應(yīng)力檢測，為了保證管線和測試安全，管線處于停輸和放空狀態(tài)，測試結(jié)果偏小于服役狀態(tài)的殘余應(yīng)力。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)生很大的變化，特別是環(huán)向應(yīng)力會發(fā)生大的變化。

由于焊接過程中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(yīng)力總體較大。另外，管接頭因?yàn)楹附影惭b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，管接頭是管線服役過程中應(yīng)該重要關(guān)注的區(qū)域，前面已經(jīng)說過，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管接頭區(qū)域的缺陷巡查十分必要。

結(jié)論

針對輸氣管線下沉360mm處進(jìn)行了含焊接接頭管線的現(xiàn)場殘余應(yīng)力檢測，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*大，是管線服役過程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，應(yīng)定期對管接頭區(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管線應(yīng)力狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)參考。