溫差應力：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)常會遇到因管道應力的影響而迫使施工中斷或造成刀片及設備損壞。在這種情況下，需要我們認真研究一下管道應力產(chǎn)生的原因來制定相應的解決方案，消除和減少管道應力對管道切割作業(yè)的影響，延長管道切割設備壽命和提高工程施工的工作效率。

隨著科學技術的不斷發(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)生的管道應力的性質(zhì)也不同，這些不同的應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荷才能進行安全有效地輸送介質(zhì)，引起管道應力的主要荷載是溫差、壓力、介質(zhì)及管道本身重量，其它還有風載、雪載、地震載荷、集中載荷、支架反力等。

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

溫差應力在管道切割作業(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力而直接切割作。

管道的溫差應力屬于管道應力的二次應力范疇。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力。管道熱脹應力屬于二次應力。

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力不變 ，而在逐漸被切開管壁后，其應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力。這種應力的最大特點是具有自限性。即當彎矩和剪力所產(chǎn)生的應力滿足了變形協(xié)調(diào)的需要，這種變形就不再繼續(xù)下去。因此，這種應力即使當材料進入塑性狀態(tài)，也不會造成對管道的破壞，當然這必須限制在一定的范圍內(nèi)。而對切管機設備的作用力加大，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，這是二次應力具有自限性這一性質(zhì)，與一次應力最大的區(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力要小。二次應力的分布區(qū)域較小，其尺寸和(RS)^1/2同量級別。

溫差應力也具有自限性。當管道結(jié)構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)構產(chǎn)生均勻的膨脹和縮小，并不產(chǎn)生熱應力；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，就應當在管道切割作業(yè)前考慮管道的溫差應力并做出相應和解決方案。尤其是在管道切割作業(yè)中，必要時應當使用吊裝設備和力矩吊鏈來消除或采取相應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、管線及設備安全。