采用盲孔法對輸氣管線進行殘余應力檢測

隨著我國基礎設施建設投入逐步加大，許多淺埋輸氣管道建設在煤礦上方，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，最終可能導致管道輸送介質泄漏，嚴重時管道會斷裂。管線在服役過程中不僅會受到各種外部載荷、內壓作用，而且還應考慮管體和焊接部位殘余應力的影響。工作應力和殘余應力疊加，使得管線的實際受力增加，特別是焊縫和熱影響區(qū)等局部應力區(qū)極易產生疲勞破壞、應力腐蝕開裂，嚴重影響油氣輸送管線的使用壽命。因此，對管線進行殘余應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*嚴重處（下沉360mm）管體與管接頭殘余應力的分布狀況，并進行現場數據和試驗數據的對比分析，為該管線的安全運行提供技術支撐。

殘余應力檢測方案

采用盲孔法對輸氣管線進行殘余應力檢測，管線材質為20^#鋼，尺寸為Φ60mm*6mm，設計壓力為25MPa，運行壓力為5.3MPa，測試儀器采用聚航科技生產的JHMK殘余應力測試系統，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK殘余應力鉆孔裝置組成。為了對比研究，對含焊接接頭管段分兩部分殘余應力測試，一部分在現場測試，另一部分在實驗室中對截取的管線的焊縫和管體進行測試，具體方案如下：

1. 對于現場的管體，測試三條線（以面對來氣方向為標準，位置分布分別為3點鐘、4點半鐘、9點鐘），每條線上分布4個點，點與點的間隔為200mm。該管線的測試點數共計12個點。

2. 對于截取后寄回實驗室的管段，沿管段軸向共測試了3條線（以面對來氣方向為標準，位置分布分別為3點鐘、6點鐘、9點鐘），每條線為11個點，每條線上的點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33個點。為了進行比較，對取回的管體也進行了測試，同樣測試了三條線（以面對來氣方向為標準，位置分布分別為3點鐘、6點鐘、9點鐘），每條線上布4個點，點與點的間隔為50mm，此管線的測試點數共計12個點。

殘余應力檢測結果分析

焊接接頭殘余應力檢測結果分析

從輸氣管線管接頭殘余應力檢測結果可以看出，管接頭區(qū)域主要是殘余拉應力，其中以6點鐘位置焊縫中心殘余拉應力*大，為318MPa，3點鐘、9點鐘方向殘余應力均較6點鐘低，整體的殘余應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力分布規(guī)律。管接頭殘余應力檢測是在實驗室完成的，該管段的殘余應力幾乎與管線埋地變形等無關，但是管接頭較大的殘余拉應力與埋地變形應力疊加后的應力狀態(tài)值得關注。

管體殘余應力檢測結果分析

對輸氣管線的管體區(qū)域分別進行了現場測試和實驗室殘余應力檢測。根據測試結果可得出，現場測量的管體殘余應力的數值均基本高于實驗室測量的殘余應力，其中軸向殘余應力要高于環(huán)向殘余應力。3點鐘方向的軸向方向主要受殘余應力拉應力，其中現場測得的殘余應力明顯高于實驗室，環(huán)向殘余應力較小且相差不大。6點鐘方向的軸向應力主要受殘余壓應力，同樣現場測得殘余應力明顯高于實驗室，環(huán)向殘余應力較小且相差不大。9點鐘的軸向殘余應力較小，主要受壓應力與3點鐘方向的殘余應力有一定對應關系，現場測得的殘余應力稍高于實驗室且相差不大。

仔細對比試驗結果不難看出，實驗室測試的3點鐘、6點鐘、9點鐘位置的殘余應力，軸向和環(huán)向殘余應力均維持在很低的水平，但現場測試的殘余應力從絕對值上均大于實驗室測試結果。兩種狀態(tài)*大的區(qū)別是：現場測試時管段處于約束狀態(tài)，而實驗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，現場測試時的鉆孔深度淺于實驗室測試，鉆孔深度均控制在1.5mm，小于要求的2.5mm，附近區(qū)域的殘余應力肯定未得到完全釋放，但測試值仍然高于實驗室測試結果，說明管線殘余應力肯定高于現場測試結果。因此，在整條埋地管線中，土層塌陷等情況對管線的殘余應力數值和分布狀態(tài)會產生很大的影響。

結果分析與討論

針對輸氣管線進行了現場殘余應力檢測，為了保證管線和測試安全，管線處于停輸和放空狀態(tài)，測試結果偏小于服役狀態(tài)的殘余應力。無論是環(huán)向殘余應力還是軸向殘余應力，放空狀態(tài)的輸氣管線管體均呈現出較低的殘余應力水平。環(huán)向殘余應力均基本小于軸向殘余應力，這與管線處于放空狀態(tài)有關。管線內部存在較高氣壓后，管體的殘余應力狀態(tài)發(fā)生很大的變化，特別是環(huán)向應力會發(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，管接頭殘余應力總體較大。另外，管接頭因為焊接安裝過程的特殊性，又是工藝性缺陷和結構性缺陷多發(fā)的區(qū)域，所以，管接頭是管線服役過程中應該重要關注的區(qū)域，前面已經說過，環(huán)向殘余應力較低的主要原因與管線放空直接相關。對于整條管線來說，服役過程中的內部壓力會對管線產生較大的環(huán)向工作應力。環(huán)向工作應力和軸向殘余應力的共同作用，會使管線產生比較復雜的應力狀態(tài)，嚴重時會在管線上形成比較嚴重的三向應力狀態(tài)，增加管線發(fā)生脆性開裂的風險。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。

結論

針對輸氣管線下沉360mm處進行了含焊接接頭管線的現場殘余應力檢測，可安全運行。管接頭區(qū)域6點鐘位置焊縫中心殘余拉應力*大，是管線服役過程中應該重點關注的區(qū)域，應定期對管接頭區(qū)域進行缺陷巡查。同時檢測結果也為下沉量接近的其他類似輸氣管管線應力狀態(tài)分析提供數據參考。