油氣管線搶修中斷管刀具破損原因及預防措施
2017-3-24 來源：中石油中亞天然氣管道有限公司 作者：余國健，丁振軍，孫強，呂子文，劉慶亮
摘要：長輸油氣管道長時間受多重載荷影響而產生的應力，使管道在斷管搶修中會發生管口位移。位移導致斷管刀具卡阻，管口與刀具間的碰撞造成刀具的破損。通過對斷管刀具破損原因分析，分別從斷管作業面處理、切割過程控制、刀具改進3 個方面采取相應的預防措施，避免斷管刀具破損，保證搶修效率，及時恢復生產。
關鍵詞：管道；切割；刀具；預防措施DOI：10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.04.17
0.前言
管道運輸具有低成本、高效、益于優化管理、降低運輸損耗和風險等其他運輸方式所不具有的優勢，廣泛應用于石油、成品油及天然氣的長距離調配輸送。隨著運行時間的增加，管線會出現大面積腐蝕、變形或斷裂等情況而需要進行斷管換管作業。長輸油氣管線搶修的斷管設備主要有爬管式切割坡口機、分瓣式切割坡口機及閘刀式管鋸等（圖1）。除閘刀式管鋸外，斷管設備的切割刀具分直割刀和坡口刀兩種，在管線切割時，直割刀與坡口刀一般會同時使用。在對管道實施冷切割斷管搶修時，切割刀具容易發生卡阻、受損或破裂等情況，嚴重影響搶修進度與管線的正常運行。
1.刀具破損原因分析
1.1 直接原因
長輸埋地管道在運行中會受到壓力、重力、地震、瞬變流沖擊、機械振動、端點附加位移、壓力脈動、兩相流脈動等多重載荷作用， 這些載荷會在整個管路或某些局部區域產生不同性質的應力，這些應力的長期作用，會使管道變形或損壞。其中主要為靜應力分析中的壓力載荷、持續載荷造成的管線塑性變形和管道熱脹冷縮及端點位移造成的疲勞破壞， 除上述載荷產生的應力之外，管道中還常常存在焊接殘余應力、加工殘余應力、鑄造殘余應力、裝配殘余應力等。
圖1 斷管設備及其配套刀具
長期應力作用使管線在斷開時發生位移， 管線應力聚集的巨大能量得到瞬間釋放， 位移造成管線斷開時管口對切割刀具的碰撞、擠壓與摩擦，是刀具破損的直接原因。管道施工中斷管設備及其對應刀具類型、切割方式及常見受損形式見表1。
表1 斷管設備及其對應刀具類型、切割方式及受損形式
1.2 具體分析
管線位移形式主要有軸向位移和徑向位移兩種。軸向位移表現為管道斷開后兩側管口之間的距離瞬間變小， 造成管口之間互相擠壓； 徑向位移表現為管道斷開后兩側管口之間發生上下左右的瞬間錯邊位移。
（1）軸向位移對刀具的影響。管道長期運行中，應力過度集中導致管道發生塑性變形，造成局部橢圓度，對于具有橢圓度位置的管道，斷管施工時會出現管壁割透刀具需進給距離不一致的現象，因而在斷管結束前，未完全割透的管壁剩余壁厚因不能承載前后管線應力擠壓，造成卡刀現象，對于未變形的管線，斷管時管道壁厚可以均勻減少， 但在管子完全斷開時，前后管道元件由于應力作用也會對刀具造成擠壓卡阻，以上兩種卡刀現象中管線位移都為軸向位移。管口對刀具的卡阻與擠壓容易造成刀刃的損傷。圖2、圖3 分別為破損的坡口齒刀與直割刀。
（2）徑向位移對刀具的影響。管道斷開瞬間，管道應力在瞬間得到釋放，管口產生較大徑向位移并產生大幅振動，由于釋放能量巨大，管口與斷管刀具之間產生劇烈摩擦與碰撞，容易造成刀具的斷裂。圖4、圖5為斷裂的直割齒刀與鋸刀。
2.預防措施
2.1 斷管作業面處理
為防止管線在斷開瞬間發生大幅振動， 在斷管施工前， 對管線作業面預先做好支撐與壓制， 以削減管系在斷開時的徑向位移， 同時抵消管道元件在斷開瞬間釋放的巨大能量， 阻止管口與斷管刀具之間的摩擦與碰撞。
2.2 切割過程控制
在斷管過程中，注意控制進刀速度， 保證勻速進刀，使用爬管機與分瓣式切割坡口機，切割起點選擇在三點鐘或九點鐘位置，可有效避免管線上下徑向位移（常見的徑向錯邊位移形
的影響。在管線斷開2/3 時，在斷面管口之間及時打入楔鐵，可有效阻止管口的軸向位移，保護刀具不被管口擠壓與卡阻。
圖2 坡口齒刀
圖3 直割刀
圖4 爬管機斷裂直割齒刀
圖5 閘刀式管鋸斷裂鋸刀
圖6 鉆銑刀
2.3 刀具改進
卡刀現象發生的重要原因為管線斷開后管口之間距離較短（2～17mm）， 楔鐵墊入效果不佳，管口容易與刀具產生摩擦與碰撞，同時，直刀層割法不利于管線在被切割過程中自身應力的釋放。將分瓣式切割坡口機的刀具換成一種新型鉆銑刀（圖6），可以使管口切割縫隙距離達到30 mm（圖7）， 打入楔鐵的效果會明顯增強，此外，鉆銑刀切割管線靠自身高速旋轉磨削金屬來實現，在切割的同時可以幫助管線自身應力的釋放。
圖7 鉆銑刀切割示意圖
3.應用實例
某原油管線二期工程動火連頭， 站場部分埋地管線需要斷管改造，管徑508 mm，公稱壁厚12 mm，工程采用爬管機斷管，作業前，在作業面壓制點管道四周采用沙袋或千金頂實施壓制，同時，爬管機切割的起點位置選在3 點鐘位置，有效削減了管線斷開后管口位移對斷管刀具的不利影響， 保證了斷管設備及人員安全，在預定時間內成功完成斷管作業。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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