西气东输管道公司南京应急抢修中心

天然气长输管道发生泄漏、损伤等情况下，需要进行换管作业。埋地管道长时间受多重载荷影响而产生应力，换管作业中管道在断开时应力会突然释放，严重威胁人员及设备安全。通过分析长输管道应力产生的原因提出应对措施。

1 长输管道应力现状

长输埋地管道在运行中会受到压力、重力、地震、瞬变流冲击、机械振动、端点附加位移、压力脉动等多重载荷作用，这些载荷会在整个管路或某局部区域产生不同性质的应力 ，主要包括管道覆土应力，温差应力，地震、运行过程产生的震动应力，管道制造、运输、安装过程中产生的残余应力，如焊接残余应力、加工残余应力、铸造残余应力、装配残余应力等。在各种应力的综合作用之下，很难确定管道应力方向。随着管线运行时间的增长，管线长时间受多重应力作用会发生拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等形变。在对管道实施断管作业过程中，应力可能导致刀具卡阻、受损或断裂。在即将断开时，管线应力的瞬间释放可能使管口产生瞬间位移，管口弹开或伤人或造成切管机受损。因此，采取有效措施来预防应力的突然释放非常重要。

2 管口位移分析

2.1 应力作用分析

在应力载荷和持续载荷作用下产生的应力为一次应力。一次应力与外力始终平衡，它随所加荷载的增加而增大，超过屈服极限将使管道发生塑性破坏，或者整体变形。二次应力是由于温度变化、端点附加位移等位移载荷作用下产生的，是管道由于变形约束而产生的正应力和剪应力。二次应力的特点是具有自限性，当局部范围内的材料产生屈服或小量变形时，相邻部分之间的约束便得到缓和，使变形趋向协调，不再继续发展，而应力自动地限制在一定范围内，但在应变多次重复交变情况下，可能引起管道的疲劳破坏。

实际作业中管口往往同时受轴向及径向应力，断口处各时钟点位的应力差别较大，甚至可能受弯矩作用而在断口一侧存在拉应力而另一侧却存在压应力。

2.2 位移形式

管口位移形式主要有径向位移和轴向位移两种。径向位移即管道在切管断开后，两道管口之间会发生上下左右各个方向的瞬间错边位移，如图 1所示。轴向位移则根据管道在轴向上的受力有所不同，如管 道受拉应力，则切管中即将切断时，管体瞬间撕开（图 2）；如管道受挤应力，则管道即将断开时两道管口之间的距离变小，造成管口之间相互挤压。由于管道所受应力复杂，断管后管口位移情形差别也较大，管口应力聚集的巨大能量得到瞬间释放，威胁人员及设备安全。

3 位移影响分析

目前，大口径天然气管道换管作业中采用的断管设备主要有分瓣式切管机、火焰切割机，分瓣式切管机又分为车削式和钻铣式（图 3、图 4）。

3.1 轴向位移产生的影响

管道长期运行中，应力过度集中，导致管道发生塑性变形，造成局部椭圆度过大，由于轴向应力存在拉应力或挤应力，对该管道断管施工时将产生如下影响。

采用分瓣式切管机进行冷切割时，如果存在挤应力，会出现管壁割透刀具进给距离不一致的现象，因而在断管结束前，未完全切透的管壁剩余壁厚因不能承载前后管线应力挤压，造成卡刀、夹刀、断齿甚至断裂报废。对于未变形的管线，断管时管道壁厚可以均匀减小，但在管体完全断开时，前后管道元件由于应力作用也会对刀具造成挤压卡阻，且管段无法被顺利吊出。如果出现拉应力，管道在临近切割完成时，由于连接管道无法承受强大的拉应力，管道未切开的剩余部分瞬间撕开，可能造成人员受伤和设备损坏。

火焰切割时，在管道存在拉应力的情况下所受到的影响与冷切割相同；存在挤应力时，会出现被夹死的现象，切除的管段将无法被顺利吊出。

3.2 径向位移产生的影响

管道在断开瞬间，管道应力得到释放，管口产生较大径向位移并产生大幅振动，有造成人员受伤的可能。由于释放能量巨大，管口与断管刀具之间产生剧烈摩擦与碰撞，容易造成刀具断裂。 大口径管道断管后，径向位移往往导致管口卡死，应力无法释放，影响作业进度。

4 控制措施

4.1 管段卡阻无法吊出情况的处理

需要在距离卡阻管口100 mm左右位置再切割一道口，并在两道口之间横向切割（开天窗），最终切下一个环形缺口达到充分释放应力的目的，此过程中随时可能出现应力突然释放管口崩开的情况，因此，全过程需做好相应安全措施。

4.2 断管作业坑处理

（1）为了防止管线在断开瞬间发生大幅位移，在断管施工前，对切割管线预先做好支撑与压制。支撑可以采用千斤顶等方式，压制采用机械对管线左右固定。

（2）开挖摆管作业坑释放管线应力。一般情况下在目标焊口上、下游各开挖至少25 m摆管作业坑（以Φ 1 219管径为例，其他管径可适当缩短），摆管作业坑与作业坑之间预留2 m原土堆层不开挖，可 在释放应力的同时对管口位移进行一定限制。

以上两种方式，都是以消减管口在断开时的径向位移，同时抵消管道在断开瞬间释放的巨大能量，从而有效阻止管口与断管刀具之间的摩擦与碰撞。

4.3 断管过程控制

（1）冷切割。优先使用钻铣刀加楔铁的切割方式。钻铣刀依靠自身旋转磨削金属来实现切割管道，切出的刀口宽度近20 mm，可以帮助管线释放自身应力。在断管过程中，要注意控制进刀速度，保证匀速进刀，可以选择切割的起点位置在3点钟和9点钟方向，在管口之间及时打入楔铁，可防止管口因产生轴向位移而对刀具产生挤压和卡阻。

（2）火焰切管。在火焰切割机上安装远程遥控装置，可以远距离控制切管机，避免站在管道附近的操作人员在管道应力突然释放时受伤。另外，目前火焰切割机为单割炬，可将火焰切割机制成双把切割，并增加轴向切割功能，可同时进行抽条和断管，使整个切管过程更加可控。

4.4 应力测试研究

开展应力与弹开方式研究，在切管前用多种方法测量切割管口两侧应力，预判断管后的弹开方向，并在断管后比对，建立数据库，最终达到准确预判的效果。开展季节、温度、温差等对管道应力的影响研究。

5 小结

目前，管道输送企业换管动火作业频率较高，由于现场情况复杂，切管过程中应力突然释放的情况时有发生，给作业带来不稳定因素。提出的控制措施，可降低作业风险，保证断管作业顺利进行。

作者：姚佳林， 1986年生，助理工程师， 2007年毕业于武汉铁路职业技术学院机电设备专业，现主要从事天然气管道应急抢修技术工作。