油氣管線搶修中斷管刀具破損（sǔn）原（yuán）因及預防措施（shī）
2017-3-24 來源：中石油（yóu）中亞天然氣管道（dào）有（yǒu）限公司 作者：餘國健，丁振（zhèn）軍，孫強，呂子文，劉慶亮
摘要（yào）：長輸（shū）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（jù）卡阻，管口與刀（dāo）具（jù）間的碰撞造成刀具的破損。通過對斷管刀具（jù）破損原因分析，分別從斷管作業麵（miàn）處理、切割過程控製、刀具改進3 個方麵采取相應的預防措施，避（bì）免斷管刀具破損，保證搶修效率，及時恢複生產。
關鍵詞：管道；切割；刀具（jù）；預防措施DOI：10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.04.17
0.前言
管道運輸具有（yǒu）低成本、高效、益於（yú）優化管理、降低運輸損耗和風險等其他運輸方式所（suǒ）不具有的優勢，廣泛應用於石油、成品油及天然氣的長距離（lí）調配輸送。隨（suí）著運行（háng）時間的增加，管線會出現大麵（miàn）積（jī）腐蝕、變形或（huò）斷裂等情況（kuàng）而需要進行斷管換管作業。長輸油氣管線搶（qiǎng）修（xiū）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（bān）會同時使用。在對管（guǎn）道實施冷切割斷管搶修時，切割刀（dāo）具容易發（fā）生卡阻、受損（sǔn）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、瞬變流衝擊、機械振動、端點附加位移、壓力脈動、兩相流脈動等多重（chóng）載荷作用， 這些載荷（hé）會在整個（gè）管路或某些（xiē）局部區域（yù）產生不同性質（zhì）的（de）應力（lì），這些應力的（de）長期（qī）作（zuò）用，會使管道變形（xíng）或損壞。其中主要為靜應力分（fèn）析中的壓力（lì）載荷、持續載荷造成的管線（xiàn）塑性變形和（hé）管道熱脹冷縮及端點位（wèi）移造（zào）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（cán）餘（yú）應力、加（jiā）工殘（cán）餘應力、鑄造殘餘應（yīng）力、裝配殘餘應力等。
圖1 斷管設備及其配套刀具
長期應力作用（yòng）使管線在斷開時發生位移， 管線應力聚集的（de）巨大能量得到瞬間（jiān）釋放， 位移造成（chéng）管線斷（duàn）開時管口對切割刀具的碰撞、擠壓與摩擦（cā），是刀具破損（sǔn）的直接原因（yīn）。管道施工中斷管設備及其對應刀具類（lèi）型、切割方式及常見受損形式見表1。
表1 斷管（guǎn）設備及其對應刀（dāo）具（jù）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（wèi）移（yí）兩種。軸向位移表現為管道斷開後兩側管口之間的距離瞬間（jiān）變小（xiǎo）， 造成管口之間互相擠壓； 徑向（xiàng）位移表現為管道斷開後兩側管口（kǒu）之間發生上下左右（yòu）的瞬間錯邊位移。
（1）軸向位移對刀具的影響。管道（dào）長期運行中，應力過度集中導致管（guǎn）道發生塑性變形（xíng），造成局部橢圓度，對於具有橢圓度位置的管道，斷管施工（gōng）時會出現（xiàn）管（guǎn）壁割透刀具需進給距離不一致（zhì）的現象，因而在斷管結束前，未完全割透的管壁剩餘壁厚因不能承載前後管線應力擠（jǐ）壓，造成卡（kǎ）刀（dāo）現象，對於未變形的管線，斷管時管道（dào）壁厚可以均勻減少， 但在管子完全斷開時（shí），前後管（guǎn）道元件由於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（shāng）。圖2、圖3 分（fèn）別為破損的坡口（kǒu）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（dé）到釋放，管口產生較大徑向位移（yí）並（bìng）產生大幅振動，由於釋（shì）放能量巨大，管口與斷管刀具之間產生劇烈摩擦與碰（pèng）撞，容易造成刀具的斷（duàn）裂。圖4、圖5為斷裂的直割（gē）齒刀與鋸刀。
2.預防措施
2.1 斷管作業麵處理（lǐ）
為防（fáng）止（zhǐ）管線在斷（duàn）開瞬間發生大幅振動， 在斷管施工前（qián）， 對管線作業麵預先（xiān）做好支撐與壓製， 以削減（jiǎn）管係在斷開時的徑向位移（yí）， 同時抵消管道元件在斷開瞬間釋放的巨大（dà）能量， 阻止管口與（yǔ）斷管刀具之間的摩擦與碰撞。
2.2 切（qiē）割（gē）過程控（kòng）製
在斷管過程中，注意（yì）控製進刀速度（dù）， 保證（zhèng）勻速進刀（dāo），使用爬管機與分瓣式切割（gē）坡口機，切割起（qǐ）點選（xuǎn）擇在三點鍾或九點（diǎn）鍾位置（zhì），可（kě）有效避免管線上下徑向位移（常見的徑向錯邊位移形（xíng）
的影響。在管線斷開2/3 時，在（zài）斷麵管口之間（jiān）及時打入楔鐵，可有效阻止管口的軸向位移（yí），保護刀（dāo）具不被管口擠（jǐ）壓（yā）與卡阻。
圖2 坡口齒（chǐ）刀（dāo）
圖3 直（zhí）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 鑽銑刀
2.3 刀具改進
卡刀現象發生的重要原因為管（guǎn）線斷開後管口之間距（jù）離較短（2～17mm）， 楔鐵墊（diàn）入效果不佳，管口容易與刀具產生摩擦（cā）與碰撞，同時，直刀層割（gē）法不利於（yú）管線在被切割（gē）過程中自身應力的釋放。將分瓣式切割坡口機的刀具換（huàn）成一種新型（xíng）鑽銑刀（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，鑽（zuàn）銑（xǐ）刀（dāo）切割管線靠自身（shēn）高速旋轉磨削金屬來實現，在切割的同時（shí）可（kě）以幫助管線自身應力的釋放。
圖7 鑽銑刀切割示意圖
3.應用實例
某（mǒu）原油管線二期工（gōng）程動火（huǒ）連頭， 站場部分埋地（dì）管線需要斷管改造，管徑508 mm，公稱壁厚12 mm，工程（chéng）采（cǎi）用爬管機斷管，作業前，在作業麵壓製點管道四周采用沙袋或千金頂實施壓製，同時（shí），爬管機切割的（de）起（qǐ）點位（wèi）置選在3 點鍾位置，有（yǒu）效削減了管線（xiàn）斷（duàn）開後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（nèi）成功完成斷管作業。
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