采用盲孔法对输气管线进行残余应力检测

随着我国基础设施建设投入逐步加大，许多浅埋输气管道建设在煤矿上方，煤炭开采后形成大范围的采空区，会引发地面沉陷和输气管线不均匀弯曲变形。管线变形必然会使不同管段受力不同，一旦超过容许值，最终可能导致管道输送介质泄漏，严重时管道会断裂。管线在服役过程中不仅会受到各种外部载荷、内压作用，而且还应考虑管体和焊接部位残余应力的影响。工作应力和残余应力叠加，使得管线的实际受力增加，特别是焊缝和热影响区等局部应力区极易产生疲劳破坏、应力腐蚀开裂，严重影响油气输送管线的使用寿命。因此，对管线进行残余应力检测分析是很有重要意义的。

本文以新开采的某煤矿上方已发生下沉的输气管线为测试对象，采用盲孔法测试分析变形*严重处（下沉360mm）管体与管接头残余应力的分布状况，并进行现场数据和试验数据的对比分析，为该管线的安全运行提供技术支撑。

残余应力检测方案

采用盲孔法对输气管线进行残余应力检测，管线材质为20^#钢，尺寸为Φ60mm*6mm，设计压力为25MPa，运行压力为5.3MPa，测试仪器采用聚航科技生产的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK残余应力钻孔装置组成。为了对比研究，对含焊接接头管段分两部分残余应力测试，一部分在现场测试，另一部分在实验室中对截取的管线的焊缝和管体进行测试，具体方案如下：

1. 对于现场的管体，测试三条线（以面对来气方向为标准，位置分布分别为3点钟、4点半钟、9点钟），每条线上分布4个点，点与点的间隔为200mm。该管线的测试点数共计12个点。

2. 对于截取后寄回实验室的管段，沿管段轴向共测试了3条线（以面对来气方向为标准，位置分布分别为3点钟、6点钟、9点钟），每条线为11个点，每条线上的点距焊缝中心的距离分别为-35mm、-20mm、-13mm、-8mm、-5mm、0、5mm、8mm、13mm、20mm、35mm，三条线共计33个点。为了进行比较，对取回的管体也进行了测试，同样测试了三条线（以面对来气方向为标准，位置分布分别为3点钟、6点钟、9点钟），每条线上布4个点，点与点的间隔为50mm，此管线的测试点数共计12个点。

残余应力检测结果分析

焊接接头残余应力检测结果分析

从输气管线管接头残余应力检测结果可以看出，管接头区域主要是残余拉应力，其中以6点钟位置焊缝中心残余拉应力*大，为318MPa，3点钟、9点钟方向残余应力均较6点钟低，整体的残余应力分布趋势为从焊缝到母材逐渐降低，均符合管接头的残余应力分布规律。管接头残余应力检测是在实验室完成的，该管段的残余应力几乎与管线埋地变形等无关，但是管接头较大的残余拉应力与埋地变形应力叠加后的应力状态值得关注。

管体残余应力检测结果分析

对输气管线的管体区域分别进行了现场测试和实验室残余应力检测。根据测试结果可得出，现场测量的管体残余应力的数值均基本高于实验室测量的残余应力，其中轴向残余应力要高于环向残余应力。3点钟方向的轴向方向主要受残余应力拉应力，其中现场测得的残余应力明显高于实验室，环向残余应力较小且相差不大。6点钟方向的轴向应力主要受残余压应力，同样现场测得残余应力明显高于实验室，环向残余应力较小且相差不大。9点钟的轴向残余应力较小，主要受压应力与3点钟方向的残余应力有一定对应关系，现场测得的残余应力稍高于实验室且相差不大。

仔细对比试验结果不难看出，实验室测试的3点钟、6点钟、9点钟位置的残余应力，轴向和环向残余应力均维持在很低的水平，但现场测试的残余应力从绝对值上均大于实验室测试结果。两种状态*大的区别是：现场测试时管段处于约束状态，而实验室测试时管段处于自由状态，说明管段在管线中的约束状态对其残余应力有较大的影响，值得说明的是，由于受到管线后续服役要求的限制，现场测试时的钻孔深度浅于实验室测试，钻孔深度均控制在1.5mm，小于要求的2.5mm，附近区域的残余应力肯定未得到完全释放，但测试值仍然高于实验室测试结果，说明管线残余应力肯定高于现场测试结果。因此，在整条埋地管线中，土层塌陷等情况对管线的残余应力数值和分布状态会产生很大的影响。

结果分析与讨论

针对输气管线进行了现场残余应力检测，为了保证管线和测试安全，管线处于停输和放空状态，测试结果偏小于服役状态的残余应力。无论是环向残余应力还是轴向残余应力，放空状态的输气管线管体均呈现出较低的残余应力水平。环向残余应力均基本小于轴向残余应力，这与管线处于放空状态有关。管线内部存在较高气压后，管体的残余应力状态发生很大的变化，特别是环向应力会发生大的变化。

由于焊接过程中的特殊热过程和安装过程中的拘束状态等，管接头残余应力总体较大。另外，管接头因为焊接安装过程的特殊性，又是工艺性缺陷和结构性缺陷多发的区域，所以，管接头是管线服役过程中应该重要关注的区域，前面已经说过，环向残余应力较低的主要原因与管线放空直接相关。对于整条管线来说，服役过程中的内部压力会对管线产生较大的环向工作应力。环向工作应力和轴向残余应力的共同作用，会使管线产生比较复杂的应力状态，严重时会在管线上形成比较严重的三向应力状态，增加管线发生脆性开裂的风险。所以，加大对管线缺陷尤其是管接头区域的缺陷巡查十分必要。

结论

针对输气管线下沉360mm处进行了含焊接接头管线的现场残余应力检测，可安全运行。管接头区域6点钟位置焊缝中心残余拉应力*大，是管线服役过程中应该重点关注的区域，应定期对管接头区域进行缺陷巡查。同时检测结果也为下沉量接近的其他类似输气管管线应力状态分析提供数据参考。