淺談超聲波應(yīng)力檢測技術(shù)在輸氣管道工程中的應(yīng)用

楊金爽（山東中石大工程設(shè)計有限公司，山東東營257000）

1 背景

2018 年6 月10 日中緬天然氣輸氣管道黔西南州晴隆縣K0975-100m 處發(fā)生泄漏燃爆事故，燃爆口位于沿山敷設(shè)的管段上，事故調(diào)查直接原因為組合荷載作用下造成的環(huán)焊縫脆性斷裂。截至2018 年底，我國天然氣干線管道總里程達7.6 萬公里。受氣源和消費市場分布制約，我國天然氣輸送管道穿越西北、川鄂、云貴、兩廣等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域較多，且伴隨管道沿線社會經(jīng)濟發(fā)展，管道高后果區(qū)呈現(xiàn)增長態(tài)勢，管道的安全運行面臨巨大壓力。

管道本體應(yīng)力作為管道安全的一重要控制指標，對管道本體安全的重要控制指標管體應(yīng)力水平的檢測和控制提出了迫切要求。

目前，管道應(yīng)力測試方法有盲孔法、X射線衍射法、超聲波法等。其中，超聲波法是當前無損測試工程結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的有效方法，適用于在役管道本體應(yīng)力的檢測，且在工程中已成功應(yīng)用。本文主要對不同應(yīng)力測試方法進行對比，并著重分析超聲波應(yīng)力檢測技術(shù)在輸氣管道中的應(yīng)用情況，旨在為后續(xù)管道應(yīng)力檢測及分析和管體應(yīng)力的整治提供經(jīng)驗。

2 應(yīng)力檢測技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外主要的應(yīng)力測試方法有：盲孔法、X 射線衍射法、超聲波法。各檢測技術(shù)原理及應(yīng)用特點分析如下：

（1）盲孔法：根據(jù)應(yīng)變片或應(yīng)變花在鉆孔過程中檢測的形變量來計算殘余應(yīng)力值。技術(shù)較為成熟，但屬于有損的檢測方式，需要在試件上進行鉆孔。適合生產(chǎn)過程中的抽檢或者允許破壞性檢測場合，在役管道一般無法采用。

（2）X 射線衍射法：X 射線衍射主要是利用晶體X 射線衍射的布拉格方程，依據(jù)晶體衍射峰的偏移方向和幅度來確定應(yīng)力的性質(zhì)和大小，X 射線是應(yīng)用比較早的一種應(yīng)力測試方式，屬于無損檢測方式，但其透射深度有限，微米級別，只能檢測表面應(yīng)力，無法反映材料的真實應(yīng)力狀態(tài)，并且受設(shè)備尺寸、現(xiàn)場環(huán)境以及被測工件表面狀態(tài)的限制，難以滿足現(xiàn)場檢測的需求，易產(chǎn)生輻射危害，不適用于管道本體應(yīng)力檢測。

（3）超聲波應(yīng)力測試法：超聲波法測量應(yīng)力基于聲彈性理論，即被測介質(zhì)中的應(yīng)力會引起超聲波傳播速度的變化，且聲速變化值與應(yīng)力存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過超聲臨界折射縱波波傳播速度的改變量可計算被測介質(zhì)的應(yīng)力。目前，在國家部分干線輸氣管道等都有實際應(yīng)用，效果良好,參見圖1。

超聲波應(yīng)力測試具有以下優(yōu)點：

測量深度較大，近表面應(yīng)力檢測深度2mm以內(nèi)；

屬于無損檢測方式；

能夠測出絕對應(yīng)力；

測量快速，單點測試不超過10min；

無任何輻射，操作安全；

檢測誤差不超過±10%。

圖1 超聲波應(yīng)力測試原理圖

3 某管道實際檢測應(yīng)用

國內(nèi)某管道建設(shè)期間，管道下溝回填時未對溝底及管體覆土進行壓實，雨季管道發(fā)生下沉。為充分掌握管道下沉對管體應(yīng)力的影響，避免因管道沉降、外部荷載和內(nèi)部荷載等因素綜合作用導(dǎo)致管體應(yīng)力超限、發(fā)生管道失穩(wěn)或應(yīng)力開裂等事故，采用超聲波應(yīng)力檢測方法對出現(xiàn)沉降管段進行應(yīng)力檢測。檢測管道及結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 DN1200管體應(yīng)力檢測點分布示意圖

圖3 管體檢測應(yīng)力分布情況

根據(jù)標準規(guī)范及材料第四強度理論進行分析評定，所檢測管道管徑DN1200、材質(zhì)L555M、管材最小屈服強度555MPa，檢測應(yīng)力值276MPa（0.5σs），未超出規(guī)范規(guī)定的0.8σs，因此管體現(xiàn)狀應(yīng)力狀態(tài)是安全的。

同時，通過檢測結(jié)果來看，雖然管體應(yīng)力水平未超限值，但管體同一檢測斷面不同測點位置受力趨勢不同，管體3點位呈現(xiàn)拉應(yīng)力、其余三個點位呈現(xiàn)壓應(yīng)力，且9點位壓應(yīng)力較其他點位要大，反映管道本身存在一定彎矩，彎曲方向為順流向向左彎曲。現(xiàn)場通過開挖管道，對管道承受彎矩進行緩解，從而釋放管道應(yīng)力。

管道單處截面的應(yīng)力檢測可以用于判斷管體檢測界面的受力狀態(tài)，從而簡單分析管道的狀態(tài)，但難以確定管道目前的受力產(chǎn)生的原因，無法開展針對性治理。通過對管道多處截面的應(yīng)力測量，進行綜合對比分析，是可以確定管道或者管系受力根源的。

結(jié)合檢測分析結(jié)果，現(xiàn)場對埋地DN1200 主管線進行了開挖，在DN1200 管道兩側(cè)釋放應(yīng)力。實施后現(xiàn)場復(fù)檢發(fā)現(xiàn)檢測點位應(yīng)力穩(wěn)定，并呈現(xiàn)回落削減趨勢，治理效果良好。

4 結(jié)語

超聲波應(yīng)力檢測技術(shù)的應(yīng)用，為今后地質(zhì)災(zāi)害地段及部分特殊管段的管體應(yīng)力安全評估提供了一種有效的解決途徑。實際應(yīng)用中可綜合管體應(yīng)力檢測、管系應(yīng)力模擬分析、管道應(yīng)力評定標準等，對管道應(yīng)力狀態(tài)進行分級管理，尤其是地質(zhì)復(fù)雜段和管系復(fù)雜區(qū)域。另外，日常運行中，建議對敏感區(qū)域管道等設(shè)施實施位移監(jiān)視，呈現(xiàn)發(fā)育趨勢的點位應(yīng)及時開展應(yīng)力檢測和分析，助力治理措施的科學(xué)性和有效性。