复杂环境下长输管道焊接接头裂纹扩展模拟研究

王帅

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摘要：近年来，社会进步迅速，我国的现代化建设的发展也有了改善。内衬不锈钢复合管是一种复合管材，近几年在长输管道领域得到了广泛应用，因其具备良好的力学性能、耐热性和耐蚀性，可以避免输送过程中管道出现腐蚀。在服役过程中，长输管道会受到多方面的交变荷载作用，长输管道交变荷载可分为管道外部荷载和管道内部荷载2种，其中外部荷载主要包括地震荷载、风荷载、雪荷载、冰荷载、沉降荷载、土压力等，这些荷载通常是由管道周围的自然环境和地质条件引起;管道内部荷载则主要是由管道内流体的作用而产生的，如内压力、内真空、内流动等。管道应力集中部位在交变应力的作用下会出现局部塑性变形，在多次循环扰动作用下，管道焊接接头部位会产生微裂纹，随着时间的延长，裂纹会不断扩展，进而导致长输管道遭到破坏，管道安全风险上升。文中通过模拟管道焊接接头裂纹扩展的过程，可以判断管道焊接裂纹实际情况，提高长输管道在服役期间的安全性。

关键词：复杂环境；长输管道焊接接头裂纹；扩展模拟研究

引言

随着经济的快速增长，对于能源的需求也日益加大，作为当今社会三大能源运输方式之一，管道运输更为经济化、效率化，所以，对于长输管道的施工建造也如雨后春笋般在各地生根。在施工中，技术水平不断提高、施工工艺趋于成熟，对安装质量要求也越加提高。本文从监督角度，按照管材进场、管道焊接、补口补伤、埋深、测径等易出现质量问题或质量隐患的工序的剖析，通过案例及危害论述长输管道质量控制。

1管材质量

材料的进场标志着长输管道施工的正式开始，作为实体工程的首道工序，管材的质量也是整个长输管道施工质量的决定性因素。对于该工序的质量控制也体现出各方责任主体质量管理体系是否有效的运行。（1）做好材料进场接收准备，管材的入库应由各方责任主体代表共同检查，接收时所检查的项目应经各责任单位讨论确认后的成熟方案，其中对管道材质、规格、型号、防腐层厚度、防腐层结构等具体描述及检查方法，使用涂层测厚仪、超声波测厚仪等仪器对材料按比例抽查并做好记录。（2）从一级库到二级库，应对材料进行确认，做好标识移植工作，依据标准规范对管材进行验收，相关责任主体对管材质量进行检查，并在验收记录中签字确认，随质量证明文件一同移交，不合格的管材不得使用到施工中，施工单位做好材料领用清单等。（3）施工单位将管材领到现场后应妥善保管，下部进行施垫，管口及时进行封堵，避免污物进入腐蚀管道内部，具体保管措施应依据标准规范中的要求执行。（4）管道焊接前应再次对管材进行检查，如发现有无法修补的问题应及时与建设/监理单位联系，协调处理。施工中，管道管材质量问题也频繁发生，例如：某项目成品管道领回后直接堆放在施工现场附近，未采取防护措施，导致管道内部污染、防腐层损伤、管口变形。该问题导致防腐层损伤、管道腐蚀、管道壁厚减薄，使用寿命减短，其中管道的椭圆变形会引起壁厚不均匀、应力集中、局部、整体开裂等，也对组对焊接产生难度，如不进行及时处理，产生质量隐患，对管道运行质量安全产生重大威胁。

2主要施工技术概述

2.1带压开孔封堵技术

带压开孔封堵技术是在保障管道运行时，对需要维修的管道进行单独开孔封堵，建立旁通油气管道，不影响油气的正常运输的技术。一般情况可分为标准式和结合式两种，标准式应用更为广泛。尽管与发达国家相比，我国的带压开孔封堵技术还不够完善，但在长输管道施工时发挥了重要的作用，取得了较好的应用效果。由于长时间的运输，管道的泄漏是一个重要的安全隐患，管道施工时抢修、改造成为重要的问题。传统施工需要停止管道运输，这并不利于管道的运行。而带压开孔封堵技术可较好的解决这些问题并得到广泛应用。带压开孔封堵技术需要从以下几方面进行施工：第一，明确管道中需要更换的位置，按照如下程序进行施工，安装封堵管件→焊接封堵管件→安装放散阀→开放散平衡孔→排放孔内流体→拆卸放散孔→安装夹板阀→安装管道开孔机→开筒式封堵孔→排孔内流体→拆开孔机；第二，安装放散阀→开并排放孔内的流体→拆卸放散孔→安装夹板阀和开孔机→取出开孔刀并排孔内流体→拆开孔机；第三，安装封堵器、旁通管道→排放管内流体→切更换的管段→更换管段、阀门→排阻断器内流体→拆卸装置→更换完成。

2.2管道焊接技术

合理使用焊接技术可提高管道运行寿命，焊接技术在长输管道施工中应用广泛，同时运行成本也最低。目前主要形成了自动、半自动以及手工向下等焊接技术。（1）自动焊接。该技术主要适用于约束性的施工环境，焊缝的完整性对于提高焊接质量效果显著。为保证长管的焊接质量，往往需要采用多种技术。此外，还要保证焊接材料的良好，焊接前要进行充分预热等。（2）半自动焊接。长输管道焊接中，半自动焊接往往应用最广泛。该技术适用于全位置焊接，同时设备简单，移动方便。一般包括CO2气体保护、自保护药芯焊丝、药芯焊丝等半自动焊接技术。施工时要根据实际情况选择合理的工艺技术。（3）手工向下焊接。对于那些管壁较薄、管径较大的管道，往往采用手工向下焊接技术。该技术较好的避免了环境因素的影响，同时焊接质量较高，主要包括三种方式，即复合型、混合型和全纤维素型。

2.3管道穿越施工技术

（1）大开挖穿越。对于小型河流、低等级公路，大开挖穿越技术可以节约成本，缩短工期。施工时同时进行管道安装和一般土建，也可以提前预制和试压管道，待管沟成型实现快速的回填以缩短断流时间。以穿越河流为例。（2）顶管穿越。为了较好的避免路面结构、路基稳定性以及交通妨碍等受施工机械的影响，顶管穿越施工技术应运而生。施工时充分使用了千斤顶的作用，具体施工流程为开挖操作坑、接收坑→电动油泵驱动千斤顶入套管→人工掏土→反复以上操作至穿透公路→安装管道并试压→封堵套管、回填。（3）隧道穿越。穿越隧道一般采用明挖法、掘进法和盾构法等，目前盾构法使用最广泛。主要包括以下流程，防渗墙注浆→超前勘探→钻掘→一次支护→二次支护。待隧道穿越后再实施永久性支护，具体施工要参考现场环境、交通条件以及隧道长度等，选择单边或者双边掘进以及支护方式。

结语

在复杂环境中结合所建立的有限元模型模拟长输管道焊接接头裂纹扩展，得到下述结论:(1)长输管道焊接接头裂纹的应力场在扩展过程中的残余应力变化较为明显，裂纹尺寸随裂纹的扩展不断发生变化，残余应力随裂纹长度的不断增加而下降，在裂纹深度方向不断增大;(2)裂纹形状参数在裂纹扩展过程中先增大后减小，且后期下降幅度较大。

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