淺析應力對高壓燃氣大口徑鋼管鑲接質量的影響

上海煤氣第一管線工程有限公司 潘晨翔

西氣東輸上海段的DN800主干管網于2002年開始建設，最早的管道已經運行了近二十年。隨著城市建設和管網建設的不斷深入，新舊管道的鑲接施工不可避免，因此鑲接焊縫質量顯得尤為重要。在常規(guī)的排管工程中，管道連接焊縫除了無損檢測外，還用強度試驗和嚴密性試驗來為焊縫質量做“雙保險”。但是在新舊管道的鑲接焊縫上，只能根據(jù)無損檢測報告的結果來評定焊縫質量。從施工經驗來看，鑲接焊縫施工不僅要求較高，其施工難度也往往大于一般焊縫的施工，這最主要的原因就是運行的老管道上會產生各種應力，給焊接環(huán)境和焊縫質量帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1 應力的分類及產生的原因

管道在運行過程中受到外界環(huán)境影響會產生大小不一的應力，按其產生的原因可分為拼裝應力、沉降應力、溫度應力和磁化應力4類。

1.1 拼裝應力

拼裝應力產生的主要原因是管道在施工過程中由于環(huán)境限制等情況，強行借轉角度來進行組對拼接，最后帶著應力完成施焊。拼裝應力的大小和對管道的借轉校正量的大小有關，借轉校正量越大，拼裝應力越大。

1.2 沉降應力

沉降應力主要是指由于地面不均勻沉降而對管道產生的相應不均勻受力，從而在管道內部產生了內應力。由于地面的不均勻沉降是日積月累慢慢造成的，所以管道的內部沉降應力也是慢慢積攢而成的。此外，沉降應力還應該包括管道在各種荷載作用下產生的變形所造成的內應力。

1.3 溫度應力

天然氣管道的運行溫度可視為環(huán)境溫度，因此溫度對于天然氣管道產生的應力較小。但是在管道進行焊接時，熔池溫度非常高。根據(jù)伯樂焊條實驗室的熔池溫度試驗，熔池溫度采集的數(shù)據(jù)各不相同(具體如焊條直徑、施焊電壓、運條速度、焊條內部偏差等都會造成溫度不同)，但是大致呈現(xiàn)正態(tài)分布，峰值不超過2 200 ℃，主要溫度區(qū)間在 1 760 ～1 980 ℃之間。管道在焊接冷卻后產生環(huán)向收縮，但此時環(huán)向收縮又受到了管道壁環(huán)端的制約，從而會產生軸向的溫度應力。事實上，由于根焊、填充焊和蓋面焊所采用的焊接參數(shù)不同，且每層焊接冷卻時間也不相同，因此產生的溫度殘余應力也不相同。

1.4 磁化應力

磁化應力主要是由于管道磁化或部分磁化后在管道內部形成的應力。造成管道磁化的一種情況是管道在施工中經過強磁場作用環(huán)節(jié)，如采用了強磁性清通器的多遍清通施工，以及在高壓閥門邊上的焊縫不使用射線探傷而改用磁粉探傷無損檢測。另一種情況是如果管道長期在帶有強磁場環(huán)境下運行，譬如敷設在高壓電力電纜邊上的天然氣管道(有一段并行)，也會使管道磁化，進一步產生磁化應力。

2 應力對焊縫質量的影響

管道施工中如果帶有較大的應力，肯定會對組對焊接帶來較大的負面影響，其中影響最大的就是對口間隙和錯變量，最終導致管道焊接時發(fā)生未焊透、氣孔、裂紋等焊縫缺陷。其中未焊透是由于管道對口間隙較小所造成的；氣孔則是由于熔池內的氣體未完全跑出，也是和對口間隙小、運條速度快等原因密切相關的；裂紋則是由于本身冷卻的應力和內應力共同作用產生的(尤其有些舊管道的管材并不是X60及以上的合金鋼，強度相對較低，最終引起裂紋)。

雖然對存在上述缺陷的管道焊縫可以進行返修后認定為合格，或者說當氣孔等較小較少時，可判定為II級合格片，理論上并不影響管道的使用，但是管道經過長時間的運行后總會逐漸老化，肯定也會減少管道的使用壽命，所以必須認識到管道應力對鑲接焊縫質量的危害性，應采取一系列的措施來減少乃至消除管道應力對焊縫質量的影響。

3 應力的解決措施

對于管道應力的解決措施，主要從兩方面來進行分析，一方面是減少或消除管道應力對鑲接焊縫的影響；另一方面則是在新的鑲接焊縫上控制盡量少的產生內應力。

3.1 應力消除措施

3.1.1 應力釋放

對于帶有拼裝應力、沉降應力的舊管道，最簡單有效的應力消除措施就是應力釋放。在新舊管道鑲接前，先將舊管道進行切割，考慮到應力的不確定性，任其兩端進行自由的收縮和位移，即應力釋放，將應力轉化為應變，待應力釋放完全后，再對其進行二次切割，打磨坡口修整，進行重新精確測量后下料，使得組對變得更加簡便和有效。

3.1.2 疊加反應力場

如果舊管道上帶有不能進行應力釋放的應力(譬如磁化應力)，那為了確保在焊接時消除應力的影響，只有對管道疊加相反的應力場來抵消本身的應力效果。

例如，在東海天然氣2.5 MPa沈杜支線閥門井改造工程項目中遇到過老管道整體磁化應較為強烈的情況，經過現(xiàn)場測量磁場強度達到了310 Gs，根據(jù)實際經驗超過100 Gs就需要采用消磁儀來疊加相反立場來進行消磁，即對老管道兩端套上通電線圈，以生成相反的電磁場來對老管道進行消磁，磁場強度控制在10 Gs以內。

3.2 應力控制措施

3.2.1 增加鑲接焊口數(shù)

如果新排高壓管道與原高壓管道采用一根直管進行鑲接，如圖 1所示，即“一管兩口”，看起來施工比較便捷。但實際施工中會發(fā)現(xiàn)新舊管道并非能處于同一水平線，總是存在高差。若強行拼裝產生的應力非常大，鑲接用的短管會變形為彎管。在高壓管道的施工規(guī)范中明確規(guī)定禁止對鋼制彎管進行坡口，即使是對直管坡口也不能超過管道外徑的 1%。這種情況下，可采用多加一段管段進行鑲接，即“兩管三口”，如圖2所示。

圖1 一管兩口鑲接示意

圖2 兩管三口鑲接示意

此時就可以進行借轉角度的適當調節(jié)，找到更合適的對口間隙，也更容易用坡口處理好鈍邊量，通過修整最終達到減少管道的拼裝應力。

3.2.2 優(yōu)化焊接工藝

雖然施工的焊接工藝評定和工藝卡相對較成熟，但是在每個項目的具體環(huán)境下，契合度也是會有上下浮動，所以要根據(jù)現(xiàn)場的施焊環(huán)境，制定更為準確的焊接工藝卡，優(yōu)化焊接工藝，改善焊接應力狀態(tài)，從而進一步控制焊接殘余應力對焊縫的影響。例如在溫度較低、濕度較高的情況下，就需要在焊接工藝評定的允許取值范圍內，根據(jù)現(xiàn)場的實測情況，將焊接工藝卡中的焊接電流調大，將焊接運條速度取小值。

3.2.3 綜合考慮溫度補償

焊接溫度帶來的影響也會使得管道長度發(fā)生變化，雖然變化不大，但是仍然會對管道內部產生一定的溫度應力。為了控制應力對焊縫的影響，在組對焊接管道時，也應該綜合考慮溫度補償量，可按下式進行計算：

式中，ΔL——管道的伸縮量，m；

Δt——溫度變化量，℃；

L——管道的實際計算長度，m；

α——鋼材的線性膨脹系數(shù)，X52鋼材的取值為 12.77×10－6m/(m·℃)。

以X52的DN500管道為例，管道的焊接溫度約為350 ℃，現(xiàn)場環(huán)境溫度約30 ℃，即Δt=320 ℃；焊接溫度對管道的主要影響區(qū)間大致在管道兩側各15 cm，則L=0.15 m；代入式(1)可得出，受溫度影響的管道伸縮量ΔL為0.613 mm。根據(jù)實際施工經驗，一般實際的影響值要略少于計算值，所以只要在原有的對口間隙基礎上再修口打磨掉0.4 mm，就是最終的實際尺寸。

對口間隙和錯邊量是造成拼裝應力最主要的原因之一，所以控制拼裝應力的最有效措施是源頭上提高管口的組對質量，合理設置對口間隙，控制錯邊量。綜合考慮溫度補償對于實際拼裝應力的消除也是至關重要。

4 工程實例

在莊胡公路果苗涇河改造工程項目中，長度為380 m，管材為X52，壓力6.0 MPa的DN800管道經定向穿越河道后，兩端分別與老管道進行鑲接。由于該鑲接施工位置距離鐵路高架較近，現(xiàn)場施工環(huán)境不佳，鑲接坑開挖后采用了拉森鋼板樁進行圍護。

當切割原直埋高壓管中擬廢除管道，靜置一段時間后，發(fā)現(xiàn)經應力釋放后，該管道收縮撓度較大，即管端向上偏離水平約3.7 °，也就是說新老管道同時存在水平和垂直偏差。經現(xiàn)場多次測量并充分考慮后，決定借助2只30 °水平彎頭、1只7 °垂直彎頭和2根直管(分別長0.9 m和1.2 m)來完成新舊管道的連接，如圖3所示。

圖3 鑲接施工示意

在正式鑲接之前，首先將7°垂直彎頭和1.2 m直管焊接在定向穿越的出土管端，即將新管道借轉到和原管道的同一水平面；然后再焊接30 °水平彎頭 B做好鑲接的準備工作。正式鑲接時采用 30 °水平彎管和0.9 m短管，即“兩管三口”的方案完成施工。在圖3中，鑲接點1為原管道和彎管A的焊縫，鑲接點2為彎管A和0.9 m短管的焊縫，鑲接點3為0.9 m短管和彎管B的焊縫。整個施工過程中，憑借現(xiàn)場非常精準的施工測量和落料，有效地把管道焊縫的對口間隙都控制在許可范圍內，確保順利完成了工程鑲接。

5 結語

在高壓燃氣大口徑鋼管鑲接過程中，焊縫的質量與應力大小與日后管網的運行安全緊密相關。一旦發(fā)生狀況，都會引發(fā)非常嚴重的后果。只有通過對實際施工經驗的總結和摸索，全面歸納管道中應力形成的原因，認真剖析其對焊縫質量的影響，才能在鑲接施工過程中采取相應措施消除或緩解應力帶來的影響，從而為工程的施工質量提供有力的保障。