溫差應(yīng)力：影響管道切割因素

在使用XJQG-1型防爆切管機進行管道切割、管道坡口作業(yè)施工時，經(jīng)常會遇到因管道應(yīng)力的影響而迫使施工中斷或造成刀片及設(shè)備損壞。在這種情況下，需要我們認(rèn)真研究一下管道應(yīng)力產(chǎn)生的原因來制定相應(yīng)的解決方案，消除和減少管道應(yīng)力對管道切割作業(yè)的影響，延長管道切割設(shè)備壽命和提高工程施工的工作效率。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)作用在管道上的各種荷載的性質(zhì)是不同的，因此所產(chǎn)生的管道應(yīng)力的性質(zhì)也不同，這些不同的應(yīng)力對管道所起的破壞作用也不相同。為此，必須把這些不同的應(yīng)力進行分類分析，并按照其破壞作用的不同而選取不同的許用應(yīng)力，這樣才能做到保障安全，節(jié)省成本，提高管道切割作業(yè)的工作效率。

而管道必須承受各種負(fù)荷才能進行安全有效地輸送介質(zhì)，引起管道應(yīng)力的主要荷載是溫差、壓力、介質(zhì)及管道本身重量，其它還有風(fēng)載、雪載、地震載荷、集中載荷、支架反力等。

溫差應(yīng)力壓力所引起的應(yīng)力性質(zhì)大不相同，溫差應(yīng)力與壓力所引起的坡壞性比壓力應(yīng)力小得多，按理論推導(dǎo)溫差應(yīng)力的許用應(yīng)力為壓力應(yīng)力的3倍。如果對這兩種應(yīng)力性質(zhì)不加區(qū)分而選用同一種許用應(yīng)力顯然是不合適的。

溫差應(yīng)力在管道切割作業(yè)中，由于提前做好了管道的保溫層、防銹層以及管道表皮的打磨和去除作業(yè)，具有溫度的管道介質(zhì)及管道裸漏于空氣中，溫差超過5攝氏度即表現(xiàn)出管道的溫差應(yīng)力作用。顯然，這在我們過去的管道切割作業(yè)施工中是沒有完全考慮這一管道溫差應(yīng)力而直接切割作。

管道的溫差應(yīng)力屬于管道應(yīng)力的二次應(yīng)力范疇。管道溫差系操作狀態(tài)或事故狀態(tài)的管道溫度與切割、安裝溫度的差值。管道溫差引起熱脹應(yīng)力。管道熱脹應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。

管道受內(nèi)壓P的作用下，管道會發(fā)生變化：

W=PR2/2ES*(2-u)

其中P為內(nèi)壓，R為半徑，S為壁厚，E為彈性模量，u為泊桑比

在在管道切割作業(yè)中，防爆切管機刀片在切割管道表面時，管道壁被破壁前保持應(yīng)力不變 ，而在逐漸被切開管壁后，其應(yīng)力逐漸加載于管道未切開管道壁之上，出現(xiàn)管道微小扭曲的力矩，而這些力矩最終作用于切管機切割刀片上，因此，切管機刀片承受了大部分的管道溫差應(yīng)力，從而造成刀片加劇磨損和刀片的折斷。

這種彎矩和管道壁被破開后所形成的剪力都被稱之為二次應(yīng)力。這種應(yīng)力的最大特點是具有自限性。即當(dāng)彎矩和剪力所產(chǎn)生的應(yīng)力滿足了變形協(xié)調(diào)的需要，這種變形就不再繼續(xù)下去。因此，這種應(yīng)力即使當(dāng)材料進入塑性狀態(tài)，也不會造成對管道的破壞，當(dāng)然這必須限制在一定的范圍內(nèi)。而對切管機設(shè)備的作用力加大，防爆切管機的表現(xiàn)為切割阻力增大，并會使其在爬行過程中產(chǎn)生反作用力，這是二次應(yīng)力具有自限性這一性質(zhì)，與一次應(yīng)力最大的區(qū)別之處。

正因為如此，它對管道所起的破壞作用要比一次應(yīng)力要小。二次應(yīng)力的分布區(qū)域較小，其尺寸和(RS)^1/2同量級別。

溫差應(yīng)力也具有自限性。當(dāng)管道結(jié)構(gòu)各處的溫度均勻上升或降低時，如果管道的熱膨脹系數(shù)相同，同時變形也不受約束，則只能使管道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生均勻的膨脹和縮小，并不產(chǎn)生熱應(yīng)力；但如果在管道切割作業(yè)中溫度變化不均勻，或是管道切割兩段膨脹系數(shù)不同，變形又受到限制，必然對切管機刀片產(chǎn)生作用力，要求切管機刀片變形協(xié)調(diào)，同時作用于刀片之上。

因此，防爆切管機對管道進行切割作業(yè)時，如果溫差較大，就應(yīng)當(dāng)在管道切割作業(yè)前考慮管道的溫差應(yīng)力并做出相應(yīng)和解決方案。尤其是在管道切割作業(yè)中，必要時應(yīng)當(dāng)使用吊裝設(shè)備和力矩吊鏈來消除或采取相應(yīng)的減小溫差的辦法來進行實施作業(yè)，確保在管道切割作業(yè)施工過程中保障人身、管線及設(shè)備安全。