超聲波應力測量技術在褶皺管道上的應用

趙 康

（國家管網集團西部管道公司， 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， 季節交替時期存在凍融循環現象， 土壤發生不均勻位移， 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]。 根據應力測量結果對該類已發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、設備便攜等優點， 在航空發動機、 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]開發了超聲波法無損殘余應力測量系統， 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，但在已經發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， 無量綱。

由式 （1） 可知， 對于均勻的、 連續的、 各向同性的材料， 彈性模量E、 聲彈性系數L11和聲時t0均為常數， 故可用應力系數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， 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下聲時的差值，結合材料的應力系數來計算應力。 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[13]， 主要功能為根據超聲波（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超聲發射、 接收模塊； ②超聲波傳播時間測量模塊； ③低功耗數據處理模塊； ④系統供電源管理模塊； 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， 實現電信號和超聲信號的相互轉化。 超聲裝置實現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分應力產生原因。

3 應力系數標定

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K 和零應力狀態下的聲時t0。 在現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5 次測量聲時變化不超過1 ns。

應力系數標定試驗如圖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， 直至連續三次測量得到的聲時變化值小于1 ns， 得到t0=10 042 ns。一發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 管材的應力系數及聲時后， 即可開展現場在線超聲波應力測量。 本次試驗得到的數值可為其他X60 管道提供依據。

4 現場應用

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， 存在少數的石塊。 凍土土體發生融沉和凍脹， 導致管道穩定性發生變化， 管道開挖現場及管道狀況如圖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， 褶皺區域長度120 mm， 寬度532 mm， 壁厚為7.01～7.24 mm。 同時， 開挖后發現管道發生明顯變形，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， 根據管道的應力測量結果和現場實際狀況判斷該管段的受力狀態。

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；當耦合狀態穩定時測量并記錄零應力試件的聲時和溫度。 為確保耦合狀態穩定， 應確保連續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；當耦合狀態穩定時測量并記錄零應力試件的聲時和溫度。 為確保耦合狀態穩定， 應確保連續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， 應力值已經達到設計時的屈服強度， 表明管道褶皺附近區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象；越往兩側應力值逐漸減小。 根據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的管道溫度與周邊環境存在較大差異， 且周邊土壤易發生大面積融沉現象， 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， 為現場工程師開展維護提供可靠的數據支撐。

5 結 論

（1） 標定得到了X60 管線鋼零應力狀態下的超聲波傳播時間和應力系數， 為在役管道超聲波法應力測量技術的現場應用提供了基礎， 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， 為現場工程師開展維護提供可靠的數據支撐。