应力对大口径钢管镶接质量的影响范文
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摘要：镶接施工作为新排管道接入已有管网的重要连接方式，在其施工完成后无法采用强度和气密性试验来检验管道焊接的质量。高压燃气的大口径钢管是输配管网中比较重要的管道，镶接焊缝质量尤为重要。通过对管道的拼装应力、沉降应力以及温度应力等多方面来分析对管道焊缝质量带来的负面影响，提出了现场施工可采取的相应措施。
西气东输上海段的DN800主干管网于2002年开始建设，最早的管道已经运行了近二十年。随着城市建设和管网建设的不断深入，新旧管道的镶接施工不可避免，因此镶接焊缝质量显得尤为重要。在常规的排管工程中，管道连接焊缝除了无损检测外，还用强度试验和严密性试验来为焊缝质量做“双保险”。但是在新旧管道的镶接焊缝上，只能根据无损检测报告的结果来评定焊缝质量。从施工经验来看，镶接焊缝施工不仅要求较高，其施工难度也往往大于一般焊缝的施工，这最主要的原因就是运行的老管道上会产生各种应力，给焊接环境和焊缝质量带来了巨大的挑战。
1应力的分类及产生的原因
管道在运行过程中受到外界环境影响会产生大小不一的应力，按其产生的原因可分为拼装应力、沉降应力、温度应力和磁化应力4类。
1.1拼装应力
拼装应力产生的主要原因是管道在施工过程中由于环境限制等情况，强行借转角度来进行组对拼接，最后带着应力完成施焊。拼装应力的大小和对管道的借转校正量的大小有关，借转校正量越大，拼装应力越大。
1.2沉降应力
沉降应力主要是指由于地面不均匀沉降而对管道产生的相应不均匀受力，从而在管道内部产生了内应力。由于地面的不均匀沉降是日积月累慢慢造成的，所以管道的内部沉降应力也是慢慢积攒而成的。此外，沉降应力还应该包括管道在各种荷载作用下产生的变形所造成的内应力。
1.3温度应力
天然气管道的运行温度可视为环境温度，因此温度对于天然气管道产生的应力较小。但是在管道进行焊接时，熔池温度非常高。根据伯乐焊条实验室的熔池温度试验，熔池温度采集的数据各不相同(具体如焊条直径、施焊电压、运条速度、焊条内部偏差等都会造成温度不同)，但是大致呈现正态分布，峰值不超过2200℃，主要温度区间在1760~1980℃之间。管道在焊接冷却后产生环向收缩，但此时环向收缩又受到了管道壁环端的制约，从而会产生轴向的温度应力。事实上，由于根焊、填充焊和盖面焊所采用的焊接参数不同，且每层焊接冷却时间也不相同，因此产生的温度残余应力也不相同。
1.4磁化应力
磁化应力主要是由于管道磁化或部分磁化后在管道内部形成的应力。造成管道磁化的一种情况是管道在施工中经过强磁场作用环节，如采用了强磁性清通器的多遍清通施工，以及在高压阀门边上的焊缝不使用射线探伤而改用磁粉探伤无损检测。另一种情况是如果管道长期在带有强磁场环境下运行，譬如敷设在高压电力电缆边上的天然气管道(有一段并行)，也会使管道磁化，进一步产生磁化应力。
2应力对焊缝质量的影响
管道施工中如果带有较大的应力，肯定会对组对焊接带来较大的负面影响，其中影响最大的就是对口间隙和错变量，最终导致管道焊接时发生未焊透、气孔、裂纹等焊缝缺陷。其中未焊透是由于管道对口间隙较小所造成的；气孔则是由于熔池内的气体未完全跑出，也是和对口间隙小、运条速度快等原因密切相关的；裂纹则是由于本身冷却的应力和内应力共同作用产生的(尤其有些旧管道的管材并不是X60及以上的合金钢，强度相对较低，最终引起裂纹)。虽然对存在上述缺陷的管道焊缝可以进行返修后认定为合格，或者说当气孔等较小较少时，可判定为II级合格片，理论上并不影响管道的使用，但是管道经过长时间的运行后总会逐渐老化，肯定也会减少管道的使用寿命，所以必须认识到管道应力对镶接焊缝质量的危害性，应采取一系列的措施来减少乃至消除管道应力对焊缝质量的影响。
3应力的解决措施
对于管道应力的解决措施，主要从两方面来进行分析，一方面是减少或消除管道应力对镶接焊缝的影响；另一方面则是在新的镶接焊缝上控制尽量少的产生内应力。
3.1应力消除措施
3.1.1应力释放对于带有拼装应力、沉降应力的旧管道，最简单有效的应力消除措施就是应力释放。在新旧管道镶接前，先将旧管道进行切割，考虑到应力的不确定性，任其两端进行自由的收缩和位移，即应力释放，将应力转化为应变，待应力释放完全后，再对其进行二次切割，打磨坡口修整，进行重新精确测量后下料，使得组对变得更加简便和有效。
3.1.2叠加反应力场如果旧管道上带有不能进行应力释放的应力(譬如磁化应力)，那为了确保在焊接时消除应力的影响，只有对管道叠加相反的应力场来抵消本身的应力效果。例如，在东海天然气2.5MPa沈杜支线阀门井改造工程项目中遇到过老管道整体磁化应较为强烈的情况，经过现场测量磁场强度达到了310Gs，根据实际经验超过100Gs就需要采用消磁仪来叠加相反立场来进行消磁，即对老管道两端套上通电线圈，以生成相反的电磁场来对老管道进行消磁，磁场强度控制在10Gs以内。
3.2应力控制措施
3.2.1增加镶接焊口数如果新排高压管道与原高压管道采用一根直管进行镶接，如图1所示，即“一管两口”，看起来施工比较便捷。但实际施工中会发现新旧管道并非能处于同一水平线，总是存在高差。若强行拼装产生的应力非常大，镶接用的短管会变形为弯管。在高压管道的施工规范中明确规定禁止对钢制弯管进行坡口，即使是对直管坡口也不能超过管道外径的1%。这种情况下，可采用多加一段管段进行镶接，即“两管三口”，如图2所示。此时就可以进行借转角度的适当调节，找到更合适的对口间隙，也更容易用坡口处理好钝边量，通过修整最终达到减少管道的拼装应力。
3.2.2优化焊接工艺虽然施工的焊接工艺评定和工艺卡相对较成熟，但是在每个项目的具体环境下，契合度也是会有上下浮动，所以要根据现场的施焊环境，制定更为准确的焊接工艺卡，优化焊接工艺，改善焊接应力状态，从而进一步控制焊接残余应力对焊缝的影响。例如在温度较低、湿度较高的情况下，就需要在焊接工艺评定的允许取值范围内，根据现场的实测情况，将焊接工艺卡中的焊接电流调大，将焊接运条速度取小值。3.2.3综合考虑温度补偿焊接温度带来的影响也会使得管道长度发生变化，虽然变化不大，但是仍然会对管道内部产生一定的温度应力。为了控制应力对焊缝的影响，在组对焊接管道时，也应该综合考虑温度补偿量，可按下式进行计算：ΔL＝α×Δt×L(1)式中，ΔL——管道的伸缩量，m；Δt——温度变化量，℃；L——管道的实际计算长度，m；α——钢材的线性膨胀系数，X52钢材的取值为12.77×10－6m/(m•℃)。以X52的DN500管道为例，管道的焊接温度约为350℃，现场环境温度约30℃，即Δt=320℃；焊接温度对管道的主要影响区间大致在管道两侧各15cm，则L=0.15m；代入式(1)可得出，受温度影响的管道伸缩量ΔL为0.613mm。根据实际施工经验，一般实际的影响值要略少于计算值，所以只要在原有的对口间隙基础上再修口打磨掉0.4mm，就是最终的实际尺寸。对口间隙和错边量是造成拼装应力最主要的原因之一，所以控制拼装应力的最有效措施是源头上提高管口的组对质量，合理设置对口间隙，控制错边量。综合考虑温度补偿对于实际拼装应力的消除也是至关重要。
4工程实例
在庄胡公路果苗泾河改造工程项目中，长度为380m，管材为X52，压力6.0MPa的DN800管道经定向穿越河道后，两端分别与老管道进行镶接。由于该镶接施工位置距离铁路高架较近，现场施工环境不佳，镶接坑开挖后采用了拉森钢板桩进行围护。当切割原直埋高压管中拟废除管道，静置一段时间后，发现经应力释放后，该管道收缩挠度较大，即管端向上偏离水平约3.7°，也就是说新老管道同时存在水平和垂直偏差。经现场多次测量并充分考虑后，决定借助2只30°水平弯头、1只7°垂直弯头和2根直管(分别长0.9m和1.2m)来完成新旧管道的连接，如图3所示。在正式镶接之前，首先将7°垂直弯头和1.2m直管焊接在定向穿越的出土管端，即将新管道借转到和原管道的同一水平面；然后再焊接30°水平弯头B做好镶接的准备工作。正式镶接时采用30°水平弯管和0.9m短管，即“两管三口”的方案完成施工。在图3中，镶接点1为原管道和弯管A的焊缝，镶接点2为弯管A和0.9m短管的焊缝，镶接点3为0.9m短管和弯管B的焊缝。整个施工过程中，凭借现场非常精准的施工测量和落料，有效地把管道焊缝的对口间隙都控制在许可范围内，确保顺利完成了工程镶接。
5结语
在高压燃气大口径钢管镶接过程中，焊缝的质量与应力大小与日后管网的运行安全紧密相关。一旦发生状况，都会引发非常严重的后果。只有通过对实际施工经验的总结和摸索，全面归纳管道中应力形成的原因，认真剖析其对焊缝质量的影响，才能在镶接施工过程中采取相应措施消除或缓解应力带来的影响，从而为工程的施工质量提供有力的保障。
作者：潘晨翔 单位：上海煤气第一管线工程有限公司
