西氣東輸管道公司南京應急搶修中心

天然氣長輸管道發生泄漏、損傷等情況下，需要進行換管作業。埋地管道長時間受多重載荷影響而產生應力，換管作業中管道在斷開時應力會突然釋放，嚴重威脅人員及設備安全。通過分析長輸管道應力產生的原因提出應對措施。

1 長輸管道應力現狀

長輸埋地管道在運行中會受到壓力、重力、地震、瞬變流沖擊、機械振動、端點附加位移、壓力脈動等多重載荷作用，這些載荷會在整個管路或某局部區域產生不同性質的應力 ，主要包括管道覆土應力，溫差應力，地震、運行過程產生的震動應力，管道制造、運輸、安裝過程中產生的殘余應力，如焊接殘余應力、加工殘余應力、鑄造殘余應力、裝配殘余應力等。在各種應力的綜合作用之下，很難確定管道應力方向。隨著管線運行時間的增長，管線長時間受多重應力作用會發生拉伸、壓縮、剪切、扭轉和彎曲等形變。在對管道實施斷管作業過程中，應力可能導致刀具卡阻、受損或斷裂。在即將斷開時，管線應力的瞬間釋放可能使管口產生瞬間位移，管口彈開或傷人或造成切管機受損。因此，采取有效措施來預防應力的突然釋放非常重要。

2 管口位移分析

2.1 應力作用分析

在應力載荷和持續載荷作用下產生的應力為一次應力。一次應力與外力始終平衡，它隨所加荷載的增加而增大，超過屈服極限將使管道發生塑性破壞，或者整體變形。二次應力是由于溫度變化、端點附加位移等位移載荷作用下產生的，是管道由于變形約束而產生的正應力和剪應力。二次應力的特點是具有自限性，當局部范圍內的材料產生屈服或小量變形時，相鄰部分之間的約束便得到緩和，使變形趨向協調，不再繼續發展，而應力自動地限制在一定范圍內，但在應變多次重復交變情況下，可能引起管道的疲勞破壞。

實際作業中管口往往同時受軸向及徑向應力，斷口處各時鐘點位的應力差別較大，甚至可能受彎矩作用而在斷口一側存在拉應力而另一側卻存在壓應力。

2.2 位移形式

管口位移形式主要有徑向位移和軸向位移兩種。徑向位移即管道在切管斷開后，兩道管口之間會發生上下左右各個方向的瞬間錯邊位移，如圖 1所示。軸向位移則根據管道在軸向上的受力有所不同，如管 道受拉應力，則切管中即將切斷時，管體瞬間撕開（圖 2）；如管道受擠應力，則管道即將斷開時兩道管口之間的距離變小，造成管口之間相互擠壓。由于管道所受應力復雜，斷管后管口位移情形差別也較大，管口應力聚集的巨大能量得到瞬間釋放，威脅人員及設備安全。

3 位移影響分析

目前，大口徑天然氣管道換管作業中采用的斷管設備主要有分瓣式切管機、火焰切割機，分瓣式切管機又分為車削式和鉆銑式（圖 3、圖 4）。

3.1 軸向位移產生的影響

管道長期運行中，應力過度集中，導致管道發生塑性變形，造成局部橢圓度過大，由于軸向應力存在拉應力或擠應力，對該管道斷管施工時將產生如下影響。

采用分瓣式切管機進行冷切割時，如果存在擠應力，會出現管壁割透刀具進給距離不一致的現象，因而在斷管結束前，未完全切透的管壁剩余壁厚因不能承載前后管線應力擠壓，造成卡刀、夾刀、斷齒甚至斷裂報廢。對于未變形的管線，斷管時管道壁厚可以均勻減小，但在管體完全斷開時，前后管道元件由于應力作用也會對刀具造成擠壓卡阻，且管段無法被順利吊出。如果出現拉應力，管道在臨近切割完成時，由于連接管道無法承受強大的拉應力，管道未切開的剩余部分瞬間撕開，可能造成人員受傷和設備損壞。

火焰切割時，在管道存在拉應力的情況下所受到的影響與冷切割相同；存在擠應力時，會出現被夾死的現象，切除的管段將無法被順利吊出。

3.2 徑向位移產生的影響

管道在斷開瞬間，管道應力得到釋放，管口產生較大徑向位移并產生大幅振動，有造成人員受傷的可能。由于釋放能量巨大，管口與斷管刀具之間產生劇烈摩擦與碰撞，容易造成刀具斷裂。 大口徑管道斷管后，徑向位移往往導致管口卡死，應力無法釋放，影響作業進度。

4 控制措施

4.1 管段卡阻無法吊出情況的處理

需要在距離卡阻管口100 mm左右位置再切割一道口，并在兩道口之間橫向切割（開天窗），最終切下一個環形缺口達到充分釋放應力的目的，此過程中隨時可能出現應力突然釋放管口崩開的情況，因此，全過程需做好相應安全措施。

4.2 斷管作業坑處理

（1）為了防止管線在斷開瞬間發生大幅位移，在斷管施工前，對切割管線預先做好支撐與壓制。支撐可以采用千斤頂等方式，壓制采用機械對管線左右固定。

（2）開挖擺管作業坑釋放管線應力。一般情況下在目標焊口上、下游各開挖至少25 m擺管作業坑（以Φ 1 219管徑為例，其他管徑可適當縮短），擺管作業坑與作業坑之間預留2 m原土堆層不開挖，可 在釋放應力的同時對管口位移進行一定限制。

以上兩種方式，都是以消減管口在斷開時的徑向位移，同時抵消管道在斷開瞬間釋放的巨大能量，從而有效阻止管口與斷管刀具之間的摩擦與碰撞。

4.3 斷管過程控制

（1）冷切割。優先使用鉆銑刀加楔鐵的切割方式。鉆銑刀依靠自身旋轉磨削金屬來實現切割管道，切出的刀口寬度近20 mm，可以幫助管線釋放自身應力。在斷管過程中，要注意控制進刀速度，保證勻速進刀，可以選擇切割的起點位置在3點鐘和9點鐘方向，在管口之間及時打入楔鐵，可防止管口因產生軸向位移而對刀具產生擠壓和卡阻。

（2）火焰切管。在火焰切割機上安裝遠程遙控裝置，可以遠距離控制切管機，避免站在管道附近的操作人員在管道應力突然釋放時受傷。另外，目前火焰切割機為單割炬，可將火焰切割機制成雙把切割，并增加軸向切割功能，可同時進行抽條和斷管，使整個切管過程更加可控。

4.4 應力測試研究

開展應力與彈開方式研究，在切管前用多種方法測量切割管口兩側應力，預判斷管后的彈開方向，并在斷管后比對，建立數據庫，最終達到準確預判的效果。開展季節、溫度、溫差等對管道應力的影響研究。

5 小結

目前，管道輸送企業換管動火作業頻率較高，由于現場情況復雜，切管過程中應力突然釋放的情況時有發生，給作業帶來不穩定因素。提出的控制措施，可降低作業風險，保證斷管作業順利進行。

作者：姚佳林， 1986年生，助理工程師， 2007年畢業于武漢鐵路職業技術學院機電設備專業，現主要從事天然氣管道應急搶修技術工作。