燃?xì)鈽蚬苤胁y管補(bǔ)償器的應(yīng)力分析及補(bǔ)償改進(jìn)設(shè)想

上海煤氣第二管線工程有限公司 蘇蕙蕙

0 前言

燃?xì)鈽蚬茏鳛橐环N架空管線，它的安全問題是整個(gè)管線安全建設(shè)的重要組成部分。橋管發(fā)生事故不僅導(dǎo)致管線設(shè)備非計(jì)劃?rùn)z修、更換或企業(yè)停產(chǎn)，還會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)橋管沿線的生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響，甚至嚴(yán)重污染破壞環(huán)境。特別是隨著城市的發(fā)展和人們生活水平的提高，越來越多壓力管道安裝在人群密集的地區(qū)，一旦發(fā)生橋管事故都將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，給國(guó)家和人們帶來巨大的損失。

2007年上海奉賢區(qū)和南匯區(qū)燃?xì)鈽蚬苄孤妒鹿拾l(fā)生率較高。其主要產(chǎn)生于兩個(gè)方面：

(1)波紋管補(bǔ)償器被拉裂；

(2)支墩與橋管的連接破壞。

圖1 波紋管補(bǔ)償器被拉裂

事故造成大量天然氣流失，盡管沒有發(fā)生火災(zāi)和人員傷亡事故，但對(duì)周邊地區(qū)的安全構(gòu)成了極大威脅，也給周邊地區(qū)人們的正常生活帶來了影響。其中波紋管破壞頻繁且后果尤為突出，而且，波紋管在正常運(yùn)行狀態(tài)下也經(jīng)常出現(xiàn)拉伸量超長(zhǎng)的狀況，經(jīng)調(diào)查奉賢區(qū)部分的波紋管超拉伸情況見表1。

表1 超長(zhǎng)橋管波紋管明細(xì)

1 波紋管補(bǔ)償器損壞形態(tài)

波紋管補(bǔ)償器破壞形態(tài)主要為裂紋沿波峰周向擴(kuò)展，開始于波紋管的內(nèi)壁，并向外壁擴(kuò)展。經(jīng)有關(guān)部門鑒定，波紋管補(bǔ)償器開裂形態(tài)多數(shù)為應(yīng)力腐蝕及疲勞開裂，有以下因素造成開裂：

(1)表面質(zhì)量，如酸洗過度引起的材料表面的晶間腐蝕溝槽，為引起應(yīng)力腐蝕開裂的裂源。

(2)腐蝕介質(zhì)，殘留物及工作介質(zhì)中含有的氯離子和硫離子。

(3)應(yīng)力(殘余應(yīng)力和服役應(yīng)力)。

(4)材質(zhì)中有較多變形馬氏體使脆性增加。

上述前3項(xiàng)因素構(gòu)成了應(yīng)力腐蝕的基本條件，而較多的馬氏體的產(chǎn)生，加速了應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞斷裂的進(jìn)程。可以看出，波紋管補(bǔ)償器的開裂由材料、服役應(yīng)力、服役環(huán)境等因素共同引起的。

2 波紋管補(bǔ)償器應(yīng)力分析

波紋管補(bǔ)償器作為燃?xì)夤艿牢灰蒲a(bǔ)償?shù)囊环N重要形式得到了廣泛的應(yīng)用，由于它所承受的外力復(fù)雜，應(yīng)力較高，而且工作溫度高，工作介質(zhì)有較強(qiáng)的腐蝕性，因而常常發(fā)生失效，造成較大損失。波紋管補(bǔ)償器的破裂損壞可以從材料、加工、安裝和使用四個(gè)方面來進(jìn)行分析，尤其在使用過程中，波紋管補(bǔ)償器承受許多確定或不確定因素的影響，受力較復(fù)雜，這里主要借助于監(jiān)測(cè)手段來獲取波紋管在運(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)變和位移情況，并分析波紋管補(bǔ)償器受溫度和內(nèi)壓作用的影響程度。

2.1 監(jiān)測(cè)布置

監(jiān)測(cè)布置如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置

其中應(yīng)變片(位置見圖2中A、B、C處)，分別置于波峰波谷處，配一個(gè)數(shù)據(jù)采集箱接收數(shù)據(jù)，并搭配另一波紋管做溫度補(bǔ)償。波紋管上布置位移計(jì)。另外，考慮到溫度對(duì)波紋管受力的影響，在波紋管上布置了4個(gè)溫度傳感器以及在橋管模型的跨中布置了3個(gè)溫度傳感器和3個(gè)熱流計(jì)，平均30 min傳輸1次的頻率獲得數(shù)據(jù)。

2.2 設(shè)計(jì)工況

結(jié)合試驗(yàn)條件的可行性，考慮溫度、內(nèi)壓對(duì)波紋管應(yīng)變和位移的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了下面3種工況：

工況1：無壓狀態(tài)下波紋管應(yīng)變和位移的監(jiān)測(cè)，主要判別在溫度作用下橋管變形所引起的波紋管應(yīng)變和位移；

工況2：0.4 MPa狀態(tài)下波紋管應(yīng)變和位移的監(jiān)測(cè)，主要判別在溫度和內(nèi)壓作用下橋管變形所引起的波紋管應(yīng)變和位移；

工況 3：橋管加壓降壓過程監(jiān)測(cè)，由于加壓降壓過程比較短，一般在5~10 min，可視為溫度不變，由此可判別盲板力所引起的波紋管相對(duì)位移變化。

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

2.3.1 加壓降壓期間波紋管兩端位移變化及分析

圖3 位移計(jì)布置

圖4 位移計(jì)1測(cè)得的位移

圖5 位移計(jì)2測(cè)得的位移

圖6 位移計(jì)3測(cè)得的位移

從以上數(shù)據(jù)看，加壓和降壓過程中位移變化值有些許不同。一開始的上升階段是加壓過程，管道內(nèi)壓強(qiáng)有0升至0.4 MPa，此過程中位移計(jì)1、2、3的變化值分別為1.71 mm、1.37 mm、2.05 mm；接下來的平緩階段是壓強(qiáng)維持在0.4 MPa，接下來的平緩階段是壓強(qiáng)維持在0.4 MPa，約30 min，壓強(qiáng)上下有一些波動(dòng)；然后降壓至 0，一個(gè)循環(huán)結(jié)束。接下來又重復(fù)做了一個(gè)循環(huán)，降壓過程中位移計(jì)1、2、3的變化值分別為1.74 mm、1.41 mm和2.51 mm。

另外，加壓和降壓過程中位移變化值有些許不同，這是由于溫度的影響，加壓過程較快，受溫度影響較小；而降壓過程較緩慢，受溫度影響較大，溫度引起的波紋管縮短量計(jì)入在降壓時(shí)位移變化值中，所以降壓時(shí)位移變化量會(huì)偏大。

2.3.2 無內(nèi)壓情況下波峰波谷的應(yīng)變變化分析

經(jīng)過測(cè)試，在無內(nèi)壓的情況下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化規(guī)律十分明顯，近似成周期性變化，周期約為一天，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化主要是由于管道因溫度變化而軸向伸縮所引起。在同一條件下，波峰處外表面的經(jīng)向應(yīng)變變化量普遍比環(huán)向應(yīng)變變化量大。波紋管應(yīng)力變化一天一個(gè)循環(huán)，使波紋管受力存在疲勞問題，可能導(dǎo)致波紋管疲勞斷裂。

2.3.3 內(nèi)壓0.4 MPa情況下波峰波谷應(yīng)變變化分析

我們可以看到，加壓后波峰處的應(yīng)變變化值明顯大于波谷處的應(yīng)變變化值，例如：處在波紋管下方的測(cè)點(diǎn)，波峰處的數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波谷處數(shù)值。另外，波峰處的經(jīng)向應(yīng)力比環(huán)向應(yīng)力大得多，所以波峰處一般會(huì)出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

2.3.4 波紋管溫度變化圖

圖7 溫度傳感器布置

圖8 溫度傳感器1測(cè)得的溫度變化

圖9 溫度傳感器2測(cè)得的溫度變化

圖10 溫度傳感器3測(cè)得的溫度變化

圖11 溫度傳感器4測(cè)得的溫度變化

3 分析和總結(jié)

從上述監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，我們可以了解到波紋管運(yùn)行狀態(tài)下的基本情況，經(jīng)分析可以得出以下結(jié)論：

(1)從無內(nèi)壓情況下波紋管波峰波谷處應(yīng)力變化可以看出，溫度的變化對(duì)波紋管的受力是有影響的，應(yīng)力一天一個(gè)循環(huán)，使波紋管的受力存在疲勞問題；

(2)在無內(nèi)壓情況下，隨著溫度的降低，波峰處外表面應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，波谷處外表面應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變；

(3)從有內(nèi)壓情況下波紋管波峰波谷處應(yīng)力變化可以看出，溫度變形在總變形中所占比例較小，內(nèi)壓對(duì)變形起主要作用；

(4)在內(nèi)壓作用下，波峰處外表面受壓應(yīng)力，波谷處外表面受拉應(yīng)力；

(5)在內(nèi)壓作用下，波峰處的經(jīng)向應(yīng)力比環(huán)向應(yīng)力大得多，所以波峰處一般會(huì)出現(xiàn)的裂縫形態(tài)多是環(huán)向裂縫。

(6)在降壓過程中，快速的流動(dòng)使氣流對(duì)橋管產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致波紋管兩端位移變化較大，所以建議，在實(shí)際工程中橋管降壓時(shí)要緩慢放氣，放氣速度控制在0.001 MPa/s以下。

4 燃?xì)鈽蚬艿难a(bǔ)償改進(jìn)設(shè)想

4.1 燃?xì)鈽蚬艿难a(bǔ)償方法

管道因季節(jié)更替及輸送介質(zhì)高于常溫將發(fā)生熱脹冷縮，長(zhǎng)度發(fā)生變化。當(dāng)溫度較高、管道較長(zhǎng)、或由于管道內(nèi)壓力、支架沉降等因素產(chǎn)生的應(yīng)力較大時(shí)，可導(dǎo)致管道超過本身極限應(yīng)力而破裂，甚至破壞被連接的設(shè)備和支架。因此，不能忽視膨脹量及其產(chǎn)生的應(yīng)力，必須采取補(bǔ)償措施，減小管道熱脹冷縮和位移時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，使應(yīng)力減到管道允許應(yīng)力之下，以保證管道穩(wěn)定和安全工作。

目前，燃?xì)夤艿莱Ｓ玫难a(bǔ)償方法主要為自然補(bǔ)償法和波紋管補(bǔ)償器法，設(shè)計(jì)施工和相關(guān)管理人員必須充分了解各種補(bǔ)償器的特點(diǎn)，并能夠正確選擇合適的補(bǔ)償器。

4.1.1 管道自然補(bǔ)償法

管道自然補(bǔ)償是利用管道本身的彎曲以自動(dòng)補(bǔ)償。在管道的配置中，應(yīng)優(yōu)先考慮利用管道彎曲的自然補(bǔ)償作用，這種利用管道自身長(zhǎng)度變化的自行補(bǔ)償是最好的辦法。

4.1.2 波紋管補(bǔ)償器法

當(dāng)自然補(bǔ)償不能滿足要求時(shí)，可設(shè)置波紋管補(bǔ)償器。波紋補(bǔ)償器最主要元件是波紋管，主要性能包括：補(bǔ)償量、彈性剛度，耐壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度等。一般設(shè)計(jì)管網(wǎng)時(shí)要求波紋補(bǔ)償器在滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞壽命前提下，補(bǔ)償量越大越好，剛度值越小越好。

波紋補(bǔ)償器允許的補(bǔ)償能力一般按最大補(bǔ)償能力的 1/2~2/3計(jì)算。為了防止橫向突出，波紋補(bǔ)償器的波數(shù)不宜太多，一般常用的是 1～4個(gè)波，因?yàn)椴〝?shù)太多就會(huì)破壞對(duì)稱變形。

4.2 燃?xì)鈽蚬艿难a(bǔ)償改進(jìn)設(shè)想

通過分析，我們提出了燃?xì)鈽蚬艿难a(bǔ)償措施有：

(1)依靠橋管的自身變形能力來補(bǔ)償由于溫度變化產(chǎn)生的變形。

(2)減少橋管出地面處彎管的地基沉降，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)彎管的地基進(jìn)行處理，采用回填土夯實(shí)和在彎管處打小方樁兩種方式。

回填土夯實(shí)：彎管處回填必須夯實(shí)，應(yīng)分層回填分層夯實(shí)或碾壓，每層厚度不大于20 cm，靠近管頂土層只適用人工夯實(shí)或碾壓。對(duì)于交通要道應(yīng)回填碎石和混凝土，保證回填的密實(shí)度，以防地面下沉和重荷載碾壓造成管道斷裂。

打小方樁：此種方法可以有效地控制彎管處地面沉降，但是施工工序較前一種復(fù)雜，可在重要部分采用此方法。

(3)當(dāng)橋管在常規(guī)條件下自然補(bǔ)償無法實(shí)施時(shí)，采取設(shè)波紋管補(bǔ)償器，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施：

加設(shè)套管：可以起到減少溫度變化的作用，并且增大管道允許跨距。

增加管道隔熱層：降低管道外壁溫差變化，從而增大允許跨距。

(4)采用波紋管補(bǔ)償器補(bǔ)償時(shí)，在采購、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等環(huán)節(jié)必須詳細(xì)了解波紋管補(bǔ)償器適用范圍和主要技術(shù)參數(shù)。補(bǔ)償器選型時(shí)，必須考慮的主要因素：

①管道公稱直徑DN與接口尺寸或法蘭標(biāo)準(zhǔn)及其長(zhǎng)度尺寸；

②工作壓力p——應(yīng)使p≤pd(設(shè)計(jì)壓力)，并對(duì)波紋管進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定；

③工作溫度 t——考慮溫度修正系數(shù)，校核設(shè)計(jì)溫度；

④材料——取決于介質(zhì)性質(zhì)及工作溫度；

⑤補(bǔ)償量——注明要補(bǔ)償位移的方向和大小(軸向、橫向、角向)；

⑥壽命——考慮使用年限或大修、更換周期。

(5)補(bǔ)償器的生產(chǎn)制造必須滿足以下要求：

①補(bǔ)償器必須采用液壓一次成型工藝，具有波高和波距均勻，減薄量小等特點(diǎn)。

②補(bǔ)償器焊接工藝采用不銹鋼包熔碳鋼法，耐腐蝕能力增強(qiáng)，提高使用壽命。

(6)施工階段，必須嚴(yán)格執(zhí)行波紋管補(bǔ)償器的安裝要求，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：

①在對(duì)其進(jìn)行安裝前應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)將波形補(bǔ)償器預(yù)先壓縮或拉伸到“零點(diǎn)”溫度(即溫度為年平均溫度時(shí)，補(bǔ)償器應(yīng)為原長(zhǎng)，無變形)的長(zhǎng)度再進(jìn)行安裝，此方法稱為“預(yù)拉伸”。預(yù)拉伸(壓縮)的長(zhǎng)度? L1可通過下式求得：

式中：?L1—拉伸或壓縮的長(zhǎng)度，mm；

al—管道線膨脹系數(shù)(鋼： 0.12× 10-4°C?1)；

L—補(bǔ)償管道長(zhǎng)度，mm；

?t—溫差，℃；

? t= t4? t3，t3為零點(diǎn)溫度(施工地區(qū)的年平均溫度)，t4為安裝現(xiàn)場(chǎng)溫度；當(dāng)t4> t3，?t為正數(shù)，需要將波形補(bǔ)償器進(jìn)行壓縮。反之，?t為負(fù)數(shù)，將波形補(bǔ)償器進(jìn)行拉伸。

②安裝橋管時(shí)，波紋管補(bǔ)償器暫不安裝，采用與波紋管補(bǔ)償器尺寸相同的法蘭短管暫時(shí)代替。待管道清通、吹掃和強(qiáng)度試驗(yàn)合格后，整體嚴(yán)密性試驗(yàn)前再安裝波形補(bǔ)償器。

③波紋管補(bǔ)償器安裝時(shí)應(yīng)與管道保持同軸，不得偏斜。安裝時(shí)不得用波形補(bǔ)償器來調(diào)整管位的安裝偏差，否則將影響波形補(bǔ)償器的補(bǔ)償量，并造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致補(bǔ)償器容易損傷。

④波紋管補(bǔ)償器安裝時(shí)，應(yīng)設(shè)臨時(shí)約束裝置，待管道嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)束后，通氣前解除約束裝置。

(7)運(yùn)行維護(hù)階段，必須做好測(cè)量記錄工作。由于沉降作用對(duì)橋管受力影響較大，必要時(shí)應(yīng)對(duì)橋管兩端的立管沉降位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，防止事故發(fā)生。