管道热开孔残余应力的基础理论及应用

站场与阀室是石油天然气储存与运输过程中必不可少的组成部分。为了满足阀门、仪表和法兰等的安装需要，站场和阀室设计中经常会遇到在主管道上开孔的情况。特别是在早期国内管道建设施工规范还不完善的条件下，现场管道多采用热切割的开孔方式。这就可能导致开孔部位局部存在严重的应力集中，管道结构不连续，进而影响管道结构的承载能力［40 41］。

文献［42］作者采用小孔检测方法，针对西气东输二线站场/阀室中常用的ERW电阻焊管，分析研究了不同位置、不同大小热开孔对于管道原始残余应力的影响程度，研究结果为正确设计、指导施工现场进行开孔、焊接具有重要的理论指导作用。

7.6.2.1　实验材料与实验方法

目前，西气东输一线、二线站场/阀室内管道常用的焊管类型为ERW电阻焊管，规格多为φ406.4 mm×12.5 mm和φ457 mm×14.2 mm，钢级L415MB。本实验材料取自宝钢生产的钢级L415MB、φ406.4 mm×12.5 mm电阻焊管。化学成分见表7-15，表中同时列出计算所得的CEⅡw、Ceq和Pcm值。材料的拉伸和冲击性能见表7-16。

表7-15　L415MB电阻焊管化学成分（%）

表7-16　L415MB电阻焊管力学性能

利用热切割的方法分别在ERW电阻焊管焊缝位置开直径为φ26 mm和φ50 mm的小孔，距离直焊缝13 mm位置开φ26 mm左右小孔，具体如图7-73所示。采用小孔检测法分别对ERW电阻焊管原始残余应力以及开孔后的残余应力分布进行测量。

图7-73　开孔和测点位置

残余应力测试采用BE120-2CA-K型应变花和CM-1L-32型静态电阻应变仪完成，盲孔钻削在钻床上进行。从应力测试标准出发，各测点之间距离应达到小孔直径的6倍即12 mm以上。测试过程中，结合管道的具体尺寸，对盲孔位置进行了较合理的安排，保证测点与边界距离保持15 mm以上，各测点之间距离保持12 mm以上。(www.xing528.com)

7.6.2.2　实验结果与分析

ERW电阻焊管焊接成型后，通过在线热处理改善焊缝和热影响区的组织和性能，这导致焊缝及其附近区域的残余应力分布较为均匀，且残余应力值低于管体区域。在焊缝位置和焊缝附近分别通过热切割开φ26 mm和φ50 mm孔后，ERW电阻焊管直焊缝上残余应力的分布曲线如图7-74所示，焊管焊缝区域原始残余应力以平均值的方式绘制在图上。

图7-74　开孔后距孔中轴线残余应力分布

由图7-74可知，通过热切割开孔冷却后，开孔边缘残余应力值迅速上升，环向残余应力的增加幅度相对大于轴向残余应力。随着开孔直径的增加，应力的增加幅值减小，但应力集中的影响范围增大。当在直焊缝中心开φ26 mm孔后，如图7-74a所示，焊缝线上轴向、环向残余应力的峰值相对于ERW电阻焊管原始状态分别增加了2.6和3.6倍，约为母材屈服强度的56%。开孔后，轴向和环向应力集中的影响范围距离开孔中心分别为30 mm和26 mm。当焊缝附近开φ26 mm孔后，如图7-74b所示，焊缝线上轴向、环向残余应力的峰值相对于ERW电阻焊管原始状态分别增加了2.9和4.5倍，分别约为母材屈服强度的64%和72%。开孔后，轴向和环向应力集中的影响范围距离开孔中心分别为3 mm和28 mm。当在焊缝中心开φ50 mm孔后，如图7-74c所示，焊缝线上轴向、环向残余应力的峰值相对于ERW电阻焊管原始状态分别增加了2.2和2.7倍，分别约为母材屈服强度的48%和43%。开孔后，轴向和环向应力集中的影响范围距离开孔中心分别为76 mm和73 mm。综上所述，热切割开孔位置对ERW电阻直焊缝残余应力的影响较大，开孔位置紧切直焊缝后残余应力幅值增加最大。热切割开孔大小对ERW电阻直焊缝应力集中范围影响较大，应力集中程度随着开孔直径的增加而增加。

在焊缝中心和焊缝附近分别通过热切割开φ26 mm和φ50 mm孔后距离ERW直焊缝不同距离残余应力的分布曲线如图7-75所示。对比ERW电阻焊管原始状态残余应力分布曲线（图7-75a），ERW电阻焊管上距焊缝不同距离残余应力分布较为均匀，热切割开孔改变了其残余应力的原始分布状态，同在直焊缝上基本一致，即开孔边缘残余应力迅速上升，局部存在应力集中区域。在直焊缝中心开φ26 mm孔后，如图7-75b所示，轴向、环向残余应力的峰值相对于ERW电阻焊管上的峰值残余应力分别增加了1.65和1.56倍，分别约为母材屈服强度的59%和54%。开孔后，轴向和环向应力状态改变范围为距直焊缝43 mm内。在焊缝附近开φ26 mm孔后，如图7-75c所示，轴向、环向残余应力的峰值相对于ERW电阻焊管上峰值残余应力分别增加了1.84和1.65倍，分别约为母材屈服强度的66%和57%。开孔后，轴向和环向应力状态改变范围约为距离直焊缝周围44 mm。在焊缝中心开φ50 mm孔后，如图7-75d所示，轴向、环向残余应力的峰值相对于ERW电阻焊管上峰值残余应力分别增加了1.61和1.75倍，分别约为母材屈服强度的60%和61%。开孔后，轴向和环向应力状态改变范围约为距离直焊缝周围55 mm。

图7-75　开孔后距离直焊缝不同距离残余应力

对比三种方式热切割开孔后的残余应力可知，当在焊缝中心开φ26 mm孔时，残余应力的分布较为规律，即开孔边缘残余应力急剧上升，随着距离的增加，开孔的影响逐渐减小。当焊缝附近开φ26 mm孔对ERW电阻焊管原始残余应力幅值的影响最大，不仅孔边缘残余应力峰值大，而且在应力集中区域残余应力的波动幅度也较大。通过统计可知，ERW电阻焊管上整体残余应力值较小，轴向和环向残余应力最大值分别约为母材屈服强度的38%和29%。焊缝附近开孔后，ERW电阻焊管上轴向和环向残余应力最大值约为母材的66%和72%，分别增大了1.7和2.4倍。这主要是因为紧切直焊缝热开孔时，ERW焊缝侧的受热时间较长。当在焊缝中心开φ50 mm孔时，由于受热区域更大，应力集中程度相对减小，残余应力的幅值相对是三种情况下最小的，但是应力集中的区域较大，特别是在直焊缝上影响区域高达51 mm。