巩国强

国家管网集团甘肃公司酒泉维抢修中心

摘要：输油气管道作为能源输送的关键基础设施，其施工与维抢修过程中的切割工艺直接影响管道的安全性与可靠性。冷切割技术在管道工程中因无需动火、无热影响区、低变形、高精度等优势被广泛应用，但其作业质量与安全性受管道应力状态显著影响。本文系统分析了管道应力的类型、来源及其对冷切割过程的具体影响，结合实际案例，提出从设计优化、工艺改进、设备创新的多层次对策，旨在为管道冷切割提供理论指导与实践参考。

关键词：管道应力；冷切割；应力集中；应力释放

油气长输管道因改造和缺陷管段修复需进行切割作业时，因冷切割技术无热变形、低风险等特性成为易燃易爆环境下的首选方法[1]。然而，管道在长期服役中因温度变化、内压波动、外部载荷等因素积累的应力，会显著影响冷切割的质量与安全性。例如，应力集中可能导致切割刀具断裂、切口偏移，而低温环境下材料脆性增加进一步加剧了裂纹扩展风险。因此，深入分析管道应力对冷切割的影响机制并提出对策，对保障作业安全与效率具有重要作用。

1  管道应力类型与来源

1.1  应力类型

热应力。温度变化引起的热胀冷缩受约束时产生，例如热油管道在启停过程中温差可达数十摄氏度，导致显著的热应力。

机械应力。由内压、自重、外部振动等机械载荷引起，例如管道弯头处因内压产生的环向应力可达材料屈服强度的30%以上。

残余应力。安装过程中因焊接、冷加工等工艺引入，如焊接热影响区的收缩应力可等效于 20%～30% 的冷加工变形。

1.2  应力来源

设计与施工缺陷。管道支架布置不合理、连接部件尺寸误差等导致受力不均。

环境因素。地壳运动、土壤沉降使管道承受弯曲应力与剪切应力。如2024年四川省某输气管道因滑坡导致局部弯曲应力达300 MPa，远超设计值（180 MPa）。此外，第三方施工、车辆碾压等动态载荷会产生瞬时冲击应力，加剧管道应力集中。

介质特性。输油气管道运行压力通常为 4～12 MPa，高压介质使管道产生环向拉应力与轴向拉应力。根据相关资料数据显示，当 DN1000管道内压为10 MPa 时，环向应力可达250 MPa，接近X80钢的屈服强度（485 MPa）的 50%，切割时易引发材料弹塑性变形。此外，输送介质的脉动、液击等动态载荷也会加剧应力波动。

温度应力。输送介质与环境温差导致管道热胀冷缩，当变形受约束时产生温度应力。以输送原油为例，介质温度 60℃与环境温度 20℃的温差可使100 m管道产生0.048 m的伸长量。若固定端约束则轴向温度应力为σT = EαΔT ，弹性模量 E 为210×103 MPa，线膨胀系数α为1.2×10-5/℃，温差ΔT为40℃，计算得σT 为100.8 MPa，该应力与内压应力叠加后可能使局部应力超过材料许用值。

2  管道应力对冷切割的影响机制

对切割精度的影响。当管道存在应力集中区域（如弯头、焊缝附近），冷切割过程中刀具承受的局部载荷显著增加。例如，某天然气管道在带压开孔时因应力集中导致焊接短节变形，开孔筒刀出现夹刀、断齿现象。此外，应力释放可能导致切割过程中管道发生位移，使切口出现不连续或错位，影响后续管道组对安装和焊接质量。

材料脆性增加引发裂纹风险。冷切割多在常温或低温环境下进行，金属材料的韧性随温度降低而下降。如进行打磨等冷加工会进一步在材料内部引入错位与空位缺陷，形成局部高应力区。

增加安全风险与设备损耗。管道应力释放可能导致切割设备松脱或刀具碎裂，威胁操作人员安全。如某埋地管道切割时因应力瞬间释放，造成自爬式液压切管机位移，切口偏差超过设计允许值。此外，高应力状态下切割设备承受额外载荷磨损加剧，导致刀具寿命缩短，增加了施工成本。如某管道切割机在应力集中区作业时刀片更换频率从常规的8小时/次增至3小时/次，成本增加2.6倍。

3  冷切割过程中管道应力控制对策

3.1  设计阶段的应力优化

合理布置支架与补偿器。通过有限元分析（如 ANSYS）优化管道支撑结构，减少热应力与机械应力集中。例如，长输热油管道采用“π”型补偿器降低30% 以上轴向应力 。

材料选择与预处理。选用低温韧性好的材料（如X80钢），并对冷加工部件进行去应力退火，消除残余应力。

3.2  施工工艺改进

应力释放技术。在切割前采用结构应力释放下料法，通过计算管道弹性变形值确定补偿量，避免强力组对。例如，某埋地管道弯头更换工程中，通过调整切割角度补偿应力释放导致的轴向位移，使焊口偏差控制在 1.5 mm以内。

分步切割与支撑加固。对于高应力管道采用 “先浅切后深割” 的分步切割法，并在切割区域两侧设置液压夹具或千斤顶，平衡应力释放。例如，某长输管道切割时使用专用应力释放器，将切口两侧管道的位移控制在 0.5 mm以内。

3.3  设备与工具创新

智能冷切割设备[2]。采用LCSF 系列分瓣切管机等全位置管道冷切割设备，通过液压管夹自动对中并吸收应力冲击，实现切割过程的远程控制与精准补偿。实验表明，该设备可将切割偏差降低至 ±1.5 mm，同时避免操作人员暴露于危险环境。

爬管式切割机防夹刀装置。在管道初始切割和环向切割过程中，通过设计专业防夹刀和防止管线错位装置，将管道断开部分使用高强度螺栓夹持固定，可有效控制管道切割过程中应力对切割的影响，同时能有效保护作业人员安全。

3.4  施工规范与安全管理

严格执行行业标准。如Q/SY 05064―2018《油气管道动火规范》要求，在切割前进行氮气置换与应力评估，确保作业环境安全。

实时监测与反馈。采用应变片、光纤传感器等监测切割过程中的应力变化，动态调整施工方案。例如，某压气站管道切割时通过应力监测系统及时发现异常，避免了设备损坏与泄漏事故。

4  应用案例

西气东输二线某压气站在更换进站阀门时，需对Φ914 mm×28 mm的碳钢管道进行切割与坡口加工，管道内介质为高压天然气，存在易燃易爆风险。管道因长期运行积累了显著的热应力与残余应力。

作业前，通过有限元模拟分析并评估管道应力分布，确定切割区域的最大应力集中系数后，采用 LCSF 系列冷切割坡口机和高速爬管机配合，配备液压管夹与自动对中系统，确保切割精度与安全性。作业中，氮气置换至可燃气体浓度<0.5%，安装应力释放夹具，预紧力设定为管道设计压力的 1.2倍，分步切割，每次进刀深度不超过3 mm，同时监测应力变化。

通过优化施工工艺和选用先进的冷切割设备，冷切割断管用时比以往缩短3小时，切口偏差控制在±1.0 mm，坡口角度误差<1°，较传统火焰切割效率提升50%，全程无火花、无泄漏，实现了本质安全。

5  结语

管道应力是影响冷切割质量与安全的关键因素，其作用机制涉及应力集中、材料脆性、设备响应等多个层面。通过设计优化、工艺改进、设备创新与规范管理的综合应用，可有效降低应力影响，提升冷切割工程的可靠性。

未来，随着智能监测技术与新材料的发展，冷切割技术将向自动化、精准化方向进一步升级，为管道工程的高效运维提供更强支撑。

参考文献：

[1]肖瑞金.输油气管道的冷切割技术[J]. 石油化工建设，2014，36(01)：93-94.

[2]江勇，张宝强，刘艳利，等.机械分瓣式钢管切割机[J]. 管道技术与设备，2011，(05)：24-26.

作者简介：巩国强，1986年生，本科，工程师，现任酒泉维抢修中心抢修二队副队长，主要从事管道应急抢修工作。联系方式：18523806187，gongguoqiang@pipechina.com.cn。