便攜式萬能力學性能檢測儀對在役管道的檢測

朱 濤，馬喜娜，趙仕林，許學龍

（北京春秋陽光環保科技有限公司，北京100102）

0 引 言

管道輸送具有輸送量大、能耗低的優點。除了應用于長途輸送油氣外，在許多工廠中，管道運輸已成為各種氣體、液體物質的主要輸送方式。由于管道輸送的這些氣體或液體大多有毒或具有危險性（如高溫、高壓等），這就要求管道在使用中不允許出現泄漏事故，因此管道輸送的安全性非常重要。為了防止管道出現泄漏，就必須定期檢測管道的硬度、拉伸性能、殘余應力等相關指標，以評價管道的老化程度及安全性。這樣不僅可以大大減少事故的發生率，而且還可以建立起管道維護數據庫，科學地管理管道并進行日常運營維護，從而獲得巨大的經濟效益和社會效益。

常規的力學性能檢測設備大都采用破壞性的檢測方法，因此這種檢測方法只能應用于實驗室抽查檢測，而不可能應用于在役檢測。為解決這個問題，FRONTICS公司研究開發了AIS3000系列便攜式萬能力學性能檢測儀（產品外形見圖1），它打破了傳統檢測技術的工作模式，可用簡單、快捷、可靠、無損的方法對在役管道等各類設備進行相關指標檢測。采用該檢測儀檢測后只會在材料表面產生一個面積約為0.15mm2的壓痕，對管道結構、使用性能不會產生影響。它可測試管道的硬度、拉伸性能、殘余應力等指標，從而準確地評估設備的使用狀況、預測其剩余使用壽命。

1 儀器結構與特點

AIS3000系列便攜式萬能力學性能檢測儀由主機、夾具和測量軟件三部分組成。主機主要控制壓頭連續下壓，并裝有傳感器對壓頭下壓時的反彈力和下壓深度進行測試。夾具主要起固定作用，避免儀器在工作時產生振動而影響測試精度。測量軟件既是操作程序也是分析程序。儀器工作時，會在操作軟件中生成載荷-深度曲線，進而判斷儀器的工作是否正常。測試完畢后分析程序會通過載荷-深度曲線計算得到材料的硬度、拉伸性能和殘余應力。

圖1 AIS3000系列便攜式萬能力學性能檢測儀外形

2 工作原理及測試精度

2.1 拉伸性能

該便攜式萬能力學性能檢測儀采用壓痕技術，通過壓頭多次下壓得到多組載荷-深度曲線，儀器將自動通過有限元分析法將載荷-深度曲線轉變成真應力-真應變曲線來計算材料的屈服強度和抗拉強度，見圖2。

為驗證檢測結果的可靠性、準確性，分別采用MTS萬能單軸拉伸試驗機與便攜式萬能力學性能檢測儀對45鋼和X65管線鋼進行了拉伸性能檢測，檢測結果見表1。對兩塊日本產不同硬度的標準維氏硬度試塊進行了硬度測試，結果見表2。由表1和表2可以看出，該儀器的測試結果與拉伸試驗測試結果相比，誤差不大于3%，可以滿足要求。

2.2 殘余應力

殘余應力的測試是先測出材料在無應力狀態下的載荷-深度曲線，并將其作為參考曲線，如要測試焊接接頭的殘余應力時，需要先測試遠離焊縫母材的載荷-深度曲線；如要測試管道彎曲矯直后的殘余應力則要先測未加工前板材的載荷-深度曲線。這些參考曲線在測同一批同類材料的設備時可以多次應用，無需重新測量。當給定相同的載荷L0時，通過測出有殘余應力時的載荷-深度曲線上偏離參考曲線的橫坐標上的距離Δh，再通過相關的公式來計算出殘余應力值。如果是正偏量則為殘余拉伸應力，反之則為殘余壓縮應力，如圖3所示 。

圖2 儀器測得的載荷-深度曲線和轉化后的真應力-真應變曲線

表1 拉伸試驗機與力學性能檢測儀的測試結果對比

表2 硬度測試結果與標定值的對比

圖3 殘余應力測試結果示意

為了對測得的某焊接接頭處的殘余應力精度進行驗證，分別用切條法和萬能力學性能檢測儀對同一管線鋼焊接接頭的殘余應力進行測試，測試結果見圖4。由圖4可知，萬能力學性能檢測儀與切條法測試的結果基本相當，最大殘余應力的差值不超過20MPa。

圖4 力學性能檢測儀與切條法測試殘余應力的對比

3 管道檢測實例

用該儀器對某石油公司一個內徑為800mm、壁厚為20mm的X65管線鋼螺旋焊接石油管道焊接接頭的焊縫、熱影響區、母材分別進行拉伸性能和殘余應力檢測。

3.1 設備的安裝調試

由于便攜式萬能力學性能檢測儀的球形壓頭半徑只有0.5mm，因此必須要先將設備表面的氧化層磨去并用1200目砂紙打磨平整。在儀器的安裝過程中，由于受到反彈力作用將導致傳感器測試不到真正的下壓力，因此需要安裝夾具固定設備。對于大口徑的石油管道主要使用曲面磁鐵夾具。在夾具上設有移動裝置，可以在不移動夾具的情況下移動儀器來更換測試點位置再次進行測試。

3.2 數據的測取

萬能力學性能檢測儀采用計算機控制的全自動測試分析，用戶只需將壓頭對準被測位置，啟動儀器，當壓頭接觸到材料表面后操作程序自動開始測試。測試完畢后，測試數據自動導入分析模塊中生成所需要的結果。值得注意的是，測得的拉伸性能數據只能用于分析拉伸性能而不能用于殘余應力的分析。對圖5所示焊接接頭的不同區域進行測試。

圖5 管道測試位置示意

3.3 測試結果與分析

由表4和表5可知，管道焊接接頭的屈服強度和抗拉強度都遠高于X65管線鋼的標準值，說明管道未出現老化現象。母材的強度高于焊縫和熱影響區的，這可能是由于焊接后為消除殘余應力采用緩慢冷卻的方法所致。焊縫中的殘余應力都為殘余壓縮應力，最大為85.37MPa，只有母材屈服強度的1 5%左右。根據管道殘余應力不能高于屈服強度50%的標準要求，可以確定殘余應力對管線焊接接頭沒有太大影響。檢測結果表明管道處于安全的工作狀態。

表4 焊縫殘余應力的檢測結果

表5 焊接接頭不同區域拉伸強度的檢測結果 MPa

4 結 論

便攜式萬能力學性能檢測儀可簡單、有效、非破壞性地檢測在役設備的屈服強度、抗拉強度和殘余應力等相關性能指標，對管道的安全性進行評價及管理。