长距离输水钢管焊接口开裂原因分析.doc

长距离输水钢管焊接口开裂原因分析陈世江 郭雅贤(中国市政工程东北设计研究院长春130021)摘要本文首先介绍j某市长距离埋地输水钢管多处开裂漏水情况，继而对开裂原因进行分析，认为温度应力影响是主要的。某大城市的长距离埋地输水钢管，采用螺旋焊卷制钢管，直径，16l_8m。钢管投入运行不到1年，就不断发现20余处管体开裂漏水。现对其开裂原因做初步分析。一、输水钢管开裂的一般情况钢管道全线长度近百km。上游段管径18m，中途分流部分流量后，管径变为16m。钢管壁厚12mm。沿线多属滨海丰山区、丘陵 钢管随沿线地形起伏埋设、冻土深度10m管顶复土厚度一般为10m12m，沿途管段闻未设伸缩节，在地形较高处设排气阀，管路上设缓闭止回问，管道于1995年底竣工，试水后发生焊口开裂。l_钢管使用材料及设计指标(1)钢管材料采用A 普通热轧低碳镇静钢板卷制。钢材性能符合现行国家标准普通碳素钢号和一般技术条件(GB70079)，钢板符合普通碳素钢及低台金钢热轧钢板技术条件(GB327482)。(2)钢材的物理力学性能弹性模量E。=2110 MPa；泊松比；03；线胀系数al_210 ；钢材允许应力：主要荷载组合1600MPa，附加荷载组合1900MPa。(3)回填土物理力学性质：窑重 。一18tm。；变形模量E080MPa；泊松比 。=04；形变模量折减系数 一075。(4)管座基床夹角2 一90(5)真空压力q。一005MPa(6)温度荷载：最大温差为出一25(7)地面堆土荷载：001MPa，汽15双排重车，取2者中大值、按折算土柱计算内力。埋地输水钢管结构设计，对钢管管壁进特种结构第14卷1997年第2期行稳定、刚度和强度计算 经过抗震验算，确定钢管理论计算厚度，同时又考虑到钢管长期埋地防腐蚀厚度以及施工条件不稳定等不利因素，确定管壁厚度。地下钢管荷载按垂直土压力、水平土压力、车辆及活荷载、内水压力、温度应力、真空压力、地下水压力。其荷载组合按给水排水工程结构设计规范GBJ6984及设计手册取主要荷载和附加荷载组合共5种情况。2钢管开裂形式根据现场调查及事故处理记录和照片，钢管漏水可归纳为以下4种类型：(1)人孔盖板(施工用人孔)密封性差；(2)钢管螺旋焊缝本身质量差；(3)埋地钢管现场对接焊口全断面裂开；(4)埋地钢管现场对接焊口部分开裂，裂缝宽度上大下小或下部(底部)无缝。3钢管焊缝破坏形式：(1)管口焊缝一侧与母材脱离破坏；(2)管口焊缝中间裂纹破坏；(3)管口焊缝一侧带部分母材被拉裂；(4)钢管本身自动电弧焊缝开裂。二、钢管破裂事故分析1钢管破坏及开裂特点(见钢管漏水事故一览表)：(1)均为环向裂缝、占总事故率57(不包括螺旋焊缝开裂)；(2)裂缝形状为上大下小占总事故率47 ，且多为上部焊缝开裂。；(3)多数裂缝在焊接接口上，占总事故率76 ，如管口对接焊口及施工用人孔盖板焊缝开裂；(4)个别管段裂缝较为集中如58km至62km段仅4km范围就有8处焊缝开裂，占全线事故率38 ；(5)夏季旖工管段事故率高，21次事故中有11次是夏季施工管段。特别是 1600钢管13次事故中有1O S9 一钢管漏水事故一览表事故地点 漏水部位 漏水量 管道安装编 号 (r 川、时) 修复措施 发现厦修复 时 间预留 900阀门法兰漏水 约5O 停水后重换皮垫 1O7 1o 8 199491600钢管上半部焊缝开裂15mm 约80 停水后内外贴钢板加固 199481600钢管L-半酃焊缝开裂15ram 约8O 停水后内加板、重焊 1O 18 1o 19 19948施工用人孔中焊缝漏水 约10 重焊、辩钢加固 1o221o24 19949防腐人孔中焊缝漏水 约1O 重焊、有钢加固 1o 241o 27 】99491800钢管上部开裂5705mm 曲7o 停水、焊加板 1O 25 1O27 1 9939 lo16oo钢管上部漏术 约5 塞缝止承、加扳焊接 l1】51117 199488 18oo钢管t侧开裂250mm 曲30 压腔扳止水加板焊接 1118 126 9939 101600钢管上半部开裂宽25ram 约350 停水后内加板、外重焊 112911 30 1994810 1 600钢管45。角2处焊袋开裂 约5 停术后外加板加固 1215O 3 125 19948mm 、2OOm m11 1600钢管上半部焊缝全开裂宽 约i00 内外加板加固 12 32O 1 25 19948m m12 180o施工人孔井全裂开( 600) 5Oo。 重焊加固 123125 】9931013 1800螺旋管焊口开裂 8000 重新焊接 12 6 12 6 1 9931O l114 1600焊缝垒开裂缝宽5Omm 约300 停水后外加扳焊 12712915 1800螺旋管焊缝开裂漏水 约30 带术加板焊接 12 8 12 13 19939 1016 18oo上部焊缝裂缝长30Otam 曲鲫 带水加板焊接 12】212 20 1993101117 1800轻微精水 约10 121 2 1994818 】400上半部焊缝裂开宽15mm I约800 停水后外加板加固 12】21 213 】994819 1BOO上半部焊缝裂开宽lOmm 【约500 停水后外加肋重焊 1213 121320 l800螺旋口开裂缝宽30ram f约2O 带术加板焊接 】2 1512 19 】9371021 】600地面轻微渗承 l约10 121 6 1 9937次是在夏季麓工。另外3次事故为人孔焊缝漏水，1处为法兰盘漏水。2裂缝原因初步分析从钢管裂缝特点分析，管道破裂主要是纵向力大于焊缝所能承受应力，裂缝宽度达25cm，其温度虚力是主要的。如某漏水段钢管麓工是在年气温较高的夏天78月份开槽下管，铺设钢管后又没有及时回填土，致使钢管在淘槽内长时间暴露在炎热空气中，因温度变化时，管道产生较大纵向温度应力。克服过大的纵向温度应力，取决于管道结构措麓和管道与周围介质(与回填土密实度有关)的相互作用。若纵向和横向受到限制就出现较大的纵向温度应力，该项应力超出计算规定的许可温差并且在钢管对接焊缝质量不符合规程要求时首先破坏，造成开裂漏水。但裂缝上大下小、顶部和底部的温度应力差不可能如此大，故还有其他方面原因。如某段1600钢管接口处裂缝宽度上大下小，出现此种裂缝主要是大口径钢管管基没有铺设砂垫层，将钢管直接放到开凿不平整的岩基上，或者在钢管下用石墩(或石块)支承，使钢管在垂直荷载作用下产生附加纵向力。按连续梁一60 一在支承处产生向上变形，使焊缝开裂；另一种情况是：钢管接口处不存在垂直荷载(事故抢修时挖开接口处复土)时，在钢管纵向受力影响下，在支点处有一转角0，使梁端向上产生位移，管上端受拉，这样裂缝宽度形成上大下小破坏形式。此外，敷设钢管地基条件不好，且麓工方法不当也是事故诱因，如在某段钢管仅800m长，就出现5处钢管焊缝被破坏，造成严重漏水的现象。经现场调查，该段属岩基，开槽后没按设计要求回填土，而在胸腔中部分回填风化岩碎石块至管顶12m埋深。另因营座没有砂垫层，而是直接将大口径钢管铺设在不平整的岩石上或大块碎石上，不但加重了管的垂直压力，且管周围