地質災害變形管段在線應力超聲測量技術

于文廣1,李玉坤,費 凡3,王鴻膺,王龍升,牛海仲,楊進川

(1.北京油氣調控中心，北京 100007；2. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，青島 266580；3.中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101)

隨著國家經濟的發展，到2025年全國油氣管網規模將達到24萬公里。在役油氣管道不可避免地會受到地質災害的潛在威脅，如斷層錯動、山體滑坡、黃土濕陷、地基沉降、泥石流、凍土、水毀等。當地質災害引發地面變形時，土體會產生不可逆的變形，而管道受到土體的推動作用會發生不均勻的變形，變形嚴重時將會帶來安全問題[1]。

地質災害引發變形的管段是否達到其安全極限，能否繼續使用，還是需要釋放應力或更換管段，這些問題都直接關乎到企業的安全運營和經濟效益。現場工程師往往只能憑借經驗進行判斷，缺乏科學判據。因此，亟需一種測試技術，能對危險或者變形管段直接給出其在線應力，從而對管道進行安全評估。筆者基于聲彈性理論，研究地質災害變形管段在線應力超聲測量的理論和方法，研發了超聲測量裝置，標定了常用管線鋼的應力系數；并進行現場工程應用，測量了變形管段運行工況下的應力，實現了安全裕度的評估。

1 理論基礎

超聲測量變形管段在線應力的理論基礎是聲彈性理論，即超聲波波速與材料應力間的線性關系[2]。BRAY等首先證明了各類型聲波對應力的敏感存在一定的差異，其中臨界折射縱(LCR)波對應力最為敏感[3-4]。2008年，巴西的FRAGA使用LCR波測量X70鋼的樣品來研究溫度對測量結果的影響程度。2013年，JAVADI等[5]采用LCR波測量了奧氏體不銹鋼管的軸向焊接殘余應力，測量結果與有限元計算結果有較好的一致性。國內學者徐春廣,馬子奇和宋文濤等[6-8]對超聲法測試管道焊縫殘余應力開展了研究和現場應用。中國石油大學(華東)李玉坤團隊推導出了雙向應力狀態下的縱波聲彈性公式，為測試管道表面雙向應力狀態提供了有效的計算方法[9]。

在材料彈性限度內，應力與聲傳播時間成線性關系，縱向平面波平行于應力加載方向的傳播速度與應力(σ)的關系如式(1)所示[10]。

(1)

式中：V11為平行于應力加載方向的波傳播速度；ρ0為材料無應力下的初始密度；λ,μ為材料的二階彈性模量；l,m,n分別為材料的三階彈性模量；ε為加載方向上的應變；ν為材料的泊松比。

對式(1)進行推導化簡，得到式(2)。

Δσ=K(t-t0)=KΔt

(2)

式中：Δσ為施加應力的改變；Δt為試件中LCR波飛行時間的改變;K為應力系數，由材料本身決定，對于特定材料是常數。

由式(2)可知，標定應力系數K后，通過精確測量LCR波傳播的聲時或聲時差，就可計算得到對應的應力值。

2 油氣管道在線應力超聲測量裝置

基于聲彈性原理，自主研發了油氣管道專業性應力測試工具——油氣管道在線應力超聲測量裝置(見圖1)，研發和改進的整個周期都考慮了油氣管道應力測試的多種工況，更能適應油氣管道現場測試的復雜環境。如圖1(a)所示，該裝置主要包括低功耗處理器、超聲發射模塊、超聲接收模塊、時間測量電路模塊、液晶顯示及交互模塊、電源管理模塊和溫度測量模塊。該裝置對超聲波傳播時間的測量精度可達0.1 ns，管道在線應力測量誤差小于20 MPa。

圖1 油氣管道在線應力超聲測量裝置

超聲激發和接收一體換能器的結構示意如圖2所示，激發換能器和接收換能器安裝在有機玻璃楔塊中，聲程L固定為35 mm。換能器和被測介質的傾斜角為28°，換能器的頻率為5 MHz。

圖2 超聲激發和接收一體換能器結構示意

3 常用管線鋼應力系數標定

根據式(2)，在現場測試前需要對應力系數K進行室內標定，文章通過標定試驗得到常用管線鋼(X52、X60、X70、X80)的應力系數。標定試件選用常用管線鋼，試件的結構示意如圖3所示，試件厚度為6 mm，表面粗糙度小于1 μm。

實驗室應力系數標定試驗現場圖片如圖4所示，超聲收發探頭和試件放置于恒溫箱內，達到穩定耦合狀態后，測量LCR波的傳播時間t0。試驗時，將試件固定于萬能試驗機上，LCR波傳播方向平行于應力加載方向。由自由狀態起始，逐步對試件增加載荷，直到外部載荷應力達到屈服強度的70%左右。每增加完一次載荷，待載荷穩定后，測量該載荷下的LCR波傳播時間。

圖3 標定試件的尺寸

圖4 實驗室應力系數標定試驗現場

按照式(2)擬合出應力-聲時差的曲線，如圖5(a)所示，X52管線鋼的應力-聲時差曲線呈較為嚴格的線性關系，曲線的公式為σ=13.813Δt，則試件(X52管材)的應力系數K為13.813 MPa·ns-1，即LCR波傳播時間每發生1 ns的變化，被測介質中就有13.813 MPa的應力變化。同理得到X60,X70,X80管線鋼的應力系數，分別為14.013，15.764，16.109。

4 工程應用實例

4.1 凍脹管段

某天然氣分輸站出站口位置的管線在低溫下運行，其周圍的土壤被凍結而使得管段發生凍脹現象，埋地管段被抬升，與之連接的臨近地面管段也被帶動抬升，致使管段閥體離開支座(見圖6)，管道內部應力增加，安全裕度減小。利用超聲波法對凍脹管段進行了測量和評價，主要工作步驟為：應力初測評價-維護措施建議-應力復測修復質量評價。

應力初測評價：現場實地對應力進行測試(見圖7)，結果如表1所示，測點A、B處應力值分別為-280.6，-205.6 MPa(壓應力)，測點C處應力值為130 MPa(拉應力)。三處測點的應力值偏高，但仍滿足強度條件。

圖7 應力測量現場

維護措施建議：建議開挖釋放應力，修建防水涵洞。

應力復測修復質量評價：開挖后對相同測點進行應力檢測，測點A、B、C處的應力值分別為187.2,154.6,117.6 MPa，應力明顯得到釋放。

表1 初測和復測(開挖前后)測點應力值

4.2 沉降管段

某輸油處計量站作業區輸油管道的一處支墩有明顯下沉，管道有明顯位移，地面出現凹陷，南北最大高度差達16.3 cm，且附近房屋墻體與地面間出現了開裂。對其進行初步判斷，得到的結論是：作業區地基沉降引起了埋地管道的較大變形。圖8所示為管線現場照片與待測點位置示意，針對該部分管道的測量共分4階段進行。

第一階段：停輸工況下，測量13號測點的應力水平。

第二階段：輸油工況下，開挖埋地管道，測量13號測點的應力水平。

第三階段：輸油工況下，開挖埋地管段，添加千斤頂支撐并松開部分支墩的螺栓，釋放部分應力后(24 h)，測量14號測點的應力水平。

第四階段：輸油工況下，待應力充分釋放后(48 h)，回填埋地管道，保留部分支撐并重新擰緊螺栓，測量15號測點的應力水平。

圖8 管線現場照片和測點位置示意圖

圖9 13號測點在線應力的4次測量結果

表2給出了所有測量點的數據，圖9給出了13號測點的4次測量結果的變化曲線，從圖9和表2可知：1號測點的應力值始終在安全范圍內，變化不大；2號測點的應力值變化最大，第1次測量結果明顯高于其他測點的，并且已達到了屈服應力，經過應力釋放后應力水平有所下降，再一次支撐而釋放應力，應力數值進一步減小，修復后應力有很小的增加，但都滿足強度要求；3號測點應力變化規律與2號點的類似，經過開挖后應力得到釋放，修復后滿足強度要求；4號測點位于靠近彎頭的位置，應力值較小且變化不大；5號測點是修復后的補充測點，其應力值在安全范圍內。

基于委托方測量和評價的具體需求，結合測試現場應用的實踐總結，形成了“應力初測評價-維護措施建議-應力復測修復質量評價”現場測量評價方法。

表2 在線應力的4次測量結果 MPa

5 結論

(1) 針對地質災害引發油氣管道變形的問題，基于聲彈性理論，分析了變形管段運行工況下的應力超聲測量技術：研制了油氣管道在線應力超聲測量專用裝置、管材室內標定和現場測量的配套工具。

(2) 自主研制的油氣管道在線應力超聲測量系統的應力測量誤差低于20 MPa，測量實時、快速、穩定，可作為管道運行工況下應力測量的關鍵設備。

(3) 建立了高精度室內標定系統，可得到管線鋼的零應力LCR波的傳播時間和應力系數，為現場測量提供了基礎。

(4) 建立了“應力初測評價-維護措施建議-應力復測修復質量評價”的現場測量評價方法，在測量和評價凍脹管段與沉降管段應用實踐中取得了很好的效果。