超聲波應力測量技術在褶皺管道上的應用

趙 康

（國家管網(wǎng)集團西部管道公司， 烏魯木齊 830013）

0 前 言

凍脹、 融沉是我國西北、 東北高寒高原地區(qū)在役管道所面臨的主要影響因素之一。 由于管道周圍凍土層溫度不均， 季節(jié)交替時期存在凍融循環(huán)現(xiàn)象， 土壤發(fā)生不均勻位移， 帶動管線逐漸偏離原有的鋪設路徑， 造成管道彎曲變形， 最終導致管道破損、 泄漏， 嚴重威脅公共安全[1-3]。 根據(jù)應力測量結果對該類已發(fā)生變形的管道當前應力水平進行量化， 判斷管道承受的載荷類型， 分析載荷產生原因， 對凍土區(qū)管道結構完整性和安全運行具有重要的工程意義[4]。

超聲波應力測量技術具有無損、 測量速度快、設備便攜等優(yōu)點， 在航空發(fā)動機、 動車鋼軌、 建筑結構、 機翼蒙皮、 高強螺栓等領域廣泛應用，已成為近些年來的研究重點[5-9]。 也有學者將超聲波應力測量技術在管道上開展了應用， 如路浩等[10]開發(fā)了超聲波法無損殘余應力測量系統(tǒng)， 測量了X80 管道的殘余應力并與小孔法進行了對比驗證。上述文獻表明， 該技術能夠直接測量管道當前狀況下的軸向應力， 是測量管道應力的有效手段，但在已經(jīng)發(fā)生變形的管道上的適用性仍需進一步驗證。 本研究針對某高原凍土地區(qū)存在褶皺缺陷的管道， 應用超聲波應力測量技術， 開展了管道在線軸向應力檢測， 通過應力測量結果對管道的受力狀況和褶皺成因進行了分析， 從工程應用的角度探討了超聲波應力測量技術的適用性。

1 基本原理

超聲波應力測量技術的重點在于準確測量超聲波傳播時間（聲時） 以及超聲波與應力之間的關系。 根據(jù)聲彈性理論可知， 鋼材彈性變形范圍內， 應力大小與超聲波的傳播速度呈線性關系[10]，其中應力變化和臨界折射縱波波速的關系[11]通常為

式中： dσ——應力的微分， MPa；

E——材料的彈性模量， MPa；

dt——超聲波傳播時間的微分， ns；

t0——無外加應力時的聲時， ns；

L11——聲彈性系數(shù)， 無量綱。

由式 （1） 可知， 對于均勻的、 連續(xù)的、 各向同性的材料， 彈性模量E、 聲彈性系數(shù)L11和聲時t0均為常數(shù)， 故可用應力系數(shù)K 代替， 即

式中： Δσ——材料中應力的變化量， MPa；

Δt——材料表面聲時的變化量， ns；

K——材料的應力系數(shù)， MPa/ns。由公式 （2） 可知， 若要測量管道應力， 可通過測量當前聲時與零應力狀態(tài)下聲時的差值，結合材料的應力系數(shù)來計算應力。 實際測量過程中， 首先需開展試驗標定應力系數(shù)K 以及零應力時的聲時t0， 再通過超聲測量設備測量當前聲時， 就可以計算得到對應的應力值。 在實際應用中， 超聲波傳播速度受溫度影響， 故應盡量使零應力試塊溫度與被測材料一致。

2 測量裝置

圖1 所示為本研究采用的在線應力超聲測量裝置， 該裝置由中國石油大學（華東） 李玉坤課題組自主研發(fā)[13]， 主要功能為根據(jù)超聲波（臨界折射縱波） 在管道表面的傳播時間來計算應力。

如圖1 （a） 所示， 測量裝置主要包括6 個模塊： ①超聲發(fā)射、 接收模塊； ②超聲波傳播時間測量模塊； ③低功耗數(shù)據(jù)處理模塊； ④系統(tǒng)供電源管理模塊； ⑤人機交互及顯示操控模塊； ⑥管道溫度測量模塊。 裝置外接LCR 波超聲探頭，探頭內置兩個換能器， 實現(xiàn)電信號和超聲信號的相互轉化。 超聲裝置實現(xiàn)了臨界折射縱波特征信號的提取和聲時的快速準確測量， 時間測量精度為1 ns， 進而可以根據(jù)聲時測量結果計算應力，準確得知在役管道當前狀況下的應力水平[14]。 超聲波應力測量技術的測量結果為管道所有應力的疊加， 既包括殘余應力， 也包括溫度、 內壓造成的應力， 還包括管道周圍土體不均勻沉降產生的應力， 因此測量結果無法直接區(qū)分應力產生原因。

3 應力系數(shù)標定

由公式 （2） 可知， 確定超聲波與應力的關系， 關鍵在于確定應力系數(shù)K 和零應力狀態(tài)下的聲時t0。 在現(xiàn)場測試前需要在室內對K 和t0進行標定， 標定試件由X60 管材制成， 材質與待測管道相同， 厚度為6 mm。 測量前需對試件進行熱處理， 熱處理工藝應符合GB/T 16923—2008 《鋼的正火及退火》 的規(guī)定。 熱處理后對試件表面進行打磨， 保證試件表面粗糙度Ra小于5 μm， 連續(xù)5 次測量聲時變化不超過1 ns。

應力系數(shù)標定試驗如圖2 所示， 將X60 鋼標準單向拉伸試件夾持在拉伸試驗機上， 試驗溫度為25 ℃， 使用液氮及溫控箱保持溫度恒定。 在探頭上涂抹2.5 mL 耦合劑（甲基硅油）， 靜置于試件表面， 并重復進行聲時測量， 直至連續(xù)三次測量得到的聲時變化值小于1 ns， 得到t0=10 042 ns。一發(fā)一收探頭固定于試件中部， 探頭方向與試件加載方向一致。 從零開始逐步增大載荷， 加載速率為0.5 MPa/s， 直至350 MPa， 即屈服強度的80 %左右； 同時應力每增加10 MPa， 恒載50 s，測量該應力下的LCR 波傳播時間。

圖3 所示為兩次加載過程中應力與聲時的測量結果， 并按線性公式進行擬合。 由圖3 可知， X60 試件施加不同應力時的超聲波傳播時間均勻增大， 二者呈線性關系。 X60 管材應力系數(shù)K=14 MPa/ns， 表示材料內部應力增大14 MPa，超聲波傳播時間增大1 ns； 零應力下的初始聲時t0為10 042 ns。 根據(jù)擬合得到的公式， 代入聲時計算得到應力， 并與應變片法測得的應力進行對比， 二者誤差小于10 MPa， 表明了擬合公式的準確性。 明確了X60 管材的應力系數(shù)及聲時后， 即可開展現(xiàn)場在線超聲波應力測量。 本次試驗得到的數(shù)值可為其他X60 管道提供依據(jù)。

4 現(xiàn)場應用

4.1 管道基本情況

待測管道為天然氣管道， 敷設于海拔3 600 多米的高原凍土層中。 管道周圍凍土層較厚， 管道周圍地勢較為平坦， 但管道周圍土質較為疏松， 開挖點坑內積水泥濘， 存在少數(shù)的石塊。 凍土土體發(fā)生融沉和凍脹， 導致管道穩(wěn)定性發(fā)生變化， 管道開挖現(xiàn)場及管道狀況如圖4 所示。

管道材質X60， 公稱直徑660 mm， 設計壁厚7.1 mm， 管頂埋深2.5 m， 常年運行溫度為20～30 ℃， 測量期間管道停輸， 保壓3.5 MPa，溫度18 ℃。 管道6 點鐘位置存在褶皺缺陷， 褶皺區(qū)域長度120 mm， 寬度532 mm， 壁厚為7.01～7.24 mm。 同時， 開挖后發(fā)現(xiàn)管道發(fā)生明顯變形，開挖段管道沿管段豎直方向呈“S” 形變形， 最高點位于缺陷處， 最低點位于缺陷上游18 m 處。

4.2 現(xiàn)場應力測量

針對該變形管段， 使用在線應力超聲測量裝置， 測量了本段褶皺缺陷管道的軸向應力。 測點位置如圖5 所示， 共計測量了9 處管道截面， 測點與焊縫距離均大于30 cm。 2 號和3 號測點位于套筒兩側， 3 號測點距離褶皺0.8 m， 2 號測點距離褶皺0.9 m。 每個截面上至少測量管頂（0 點鐘） 和兩側 （3 點鐘、 9 點鐘） 處的應力。除此之外， 其中3 號、 4 號、 6 號、 7 號、 8 號測點還對管底（6 點鐘） 的應力進行測量， 根據(jù)管道的應力測量結果和現(xiàn)場實際狀況判斷該管段的受力狀態(tài)。

超聲法在線應力測量步驟如下：

（1） 采用磨光機進行初步打磨， 去除表面油漆或者鐵銹， 再使用砂帶打磨機進行細磨， 打磨方向沿管道軸向。 超聲應力測量對待測平面粗糙度及平面度要求較高， 測點區(qū)域表面需滿足均勻、 無腐蝕坑， 且面積大于30 mm×100 mm， 粗糙度Ra不得大于5 μm， 平面度不得大于5 μm。

（2） 將零應力試件與待測點管壁接觸， 使用溫度傳感器測量管壁與零應力試件的溫度， 確保溫差小于0.1 ℃后再開始應力測量； 根據(jù)所測溫度選用對應黏度的耦合劑。

（3） 將超聲探頭與零應力試件通過耦合劑耦合， 保持超聲波傳播方向與試件長度方向一致；當耦合狀態(tài)穩(wěn)定時測量并記錄零應力試件的聲時和溫度。 為確保耦合狀態(tài)穩(wěn)定， 應確保連續(xù)3 次測量聲時變化不超過1 ns， 溫度變化不超過0.1 ℃。

（4） 將超聲探頭與管道測點表面通過耦合劑耦合， 保持超聲波傳播方向與管道軸向一致；當耦合狀態(tài)穩(wěn)定時測量并記錄零應力試件的聲時和溫度。 為確保耦合狀態(tài)穩(wěn)定， 應確保連續(xù)3 次測量聲時變化不超過1 ns， 溫度變化不超過0.1 ℃， 應力測量結果變化不超過10 MPa； 若應力測量結果不穩(wěn)定， 應重新打磨管道表面并重復測量管壁應力。

4.3 測量結果分析

圖6 為9 個測點應力測量結果。 由圖6 可知，管道軸向應力都為壓應力， 表明管道軸向載荷以受壓為主。 X60 管材屈服強度規(guī)定為415 MPa，而測點2 及測點3 管底6 點鐘位置的應力值均超過-420 MPa， 應力值已經(jīng)達到設計時的屈服強度， 表明管道褶皺附近區(qū)域已進入塑性變形階段。 應力測量結果與管道變形情況基本一致，套筒處變形最大， 存在顯著的應力集中現(xiàn)象；越往兩側應力值逐漸減小。 根據(jù)內壓作用下管道應力計算公式[15]， 當內壓為3.5 MPa 時， 軸向應力為45 MPa； 將測量結果減去內壓產生的軸向應力， 超過了X60 管道的屈服強度415 MPa，但要低于抗拉強度545 MPa， 釋壓后管道塑性變形進一步增大。

圖7 所示為套筒兩端2 號及3 號測點截面不同位置的軸向應力絕對值。 由圖7 可知， 3 點鐘和9 點鐘應力值較為接近， 0 點鐘應力值較小，6 點鐘應力值較大， 0 點鐘和6 點鐘的應力值差異是造成套筒附近向上彎曲變形的重要原因。 超聲應力測量結果表明， 管道軸向承受較大的壓應力， 可能是由于管道安裝溫度較低， 而運行溫度較高 （20～30 ℃）， 管道為直線敷設， 溫度升高帶來的伸長量未得到有效補償， 導致管道軸向受壓力作用。 其次， 主要由于融沉導致土壤位移，土體與管道之間相互作用， 給管道帶來了額外的不均勻載荷， 導致管道受到彎矩作用。 軸向壓力和彎矩共同疊加， 管道所承受的壓應力值達到屈服強度， 產生了褶皺缺陷。

敷設于高原凍土地區(qū)的管道溫度與周邊環(huán)境存在較大差異， 且周邊土壤易發(fā)生大面積融沉現(xiàn)象， 給管道帶來了額外載荷。 在線應力超聲測量技術能夠直接測試出管道運行狀態(tài)下應力， 判斷出管道變形及受力情況， 并給出當前工況下管道安全裕度， 為現(xiàn)場工程師開展維護提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

5 結 論

（1） 標定得到了X60 管線鋼零應力狀態(tài)下的超聲波傳播時間和應力系數(shù)， 為在役管道超聲波法應力測量技術的現(xiàn)場應用提供了基礎， 并可為其他同類X60 管線鋼提供參考。

（2） 應力測量結果表明， 管道軸向承受較大壓應力和彎曲載荷， 褶皺附近壓應力最大， 達到435 MPa， 超過X60 管線鋼的屈服強度， 是褶皺變形產生的主要原因。

（3） 在線應力超聲波測量技術能夠直接測試出管道運行狀態(tài)下的應力， 判斷出受力情況并給出當前工況下管道安全裕度， 為現(xiàn)場工程師開展維護提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。