水下超聲應力檢測影響因素試驗研究

張充霖 周士剛 戚文陽

中海石油技術檢測有限公司 天津 300452

1 概述

海洋石油結構長期服役在海洋環境中，受風力、波浪力、冰雪、海水腐蝕、地震等外部載荷的影響?？赡軐е潞Ｑ笫徒Y構設施產生應力集中或局部變形，甚至引發結構突發性失效等災難性的人員傷亡及財產損失，因此開展海洋石油結構工作應力的無損檢測對于保障油氣生產安全至關重要。超聲波應力檢測法具有高分辨率、高滲透力、高檢測效率、適用范圍廣、對人體無害等特點，是當前工程結構無損應力檢測技術中最為有效方法之一。但超聲法也有一定的局限性，如溫差、耦合狀態、粗糙度等因素影響檢測精度。此外對于水下結構，檢測精度還可能受長距離傳輸信號衰減、水壓影響，目前研究較少。本文針對海洋石油工程結構水下超聲應力檢測中可能影響檢測精度的三類因素開展試驗研究，并根據影響因素進行系統分析及應力偏離補償方法，旨在優化檢測工藝、提高檢測精度。

2 超聲臨界折射縱波應力檢測原理

海洋石油工程結構水下超聲應力檢測技術源于聲彈性理論中的超聲臨界折射縱波（LCR波）法檢測。大量研究表明，LCR波是一種在材料近表面傳播且平行于材料表面的縱波，其對應力的敏感度相比其他形態超聲波更高[1]。當發射換能器發射超聲縱波以第一臨界角斜入射到入射到被檢材料表面時，依據 Snell 定律，可在被檢材料內部產生LCR波，當材料處于線彈性范圍內，材料中的應力與聲傳播時間呈線性關系，因此，在發射和接收換能器距離保持不變的條件下，測得零應力對應的超聲波傳播時間和被檢工件對應的超聲波傳播時間，即可求出被檢工件中的應力絕對值。檢測原理如圖1所示。

圖1 超聲臨界折射縱波應力檢測原理

3 水下超聲應力檢測影響因素

對于海洋石油工程結構來說，以渤海油田導管架平臺為例，水下關鍵承載構件如腿柱底部、基底橫撐等的工作水深至少在10米，部分海域甚至超過30米，因此具體實施檢測時，將涉及超聲信號傳輸衰減、水壓與水溫對聲時傳播影響。因此本文將針對以下3個影響因素分別開展試驗研究：

（1）超聲信號線纜長度變化對傳輸信號強度的影響；

（2）水壓變化對超聲檢測傳播聲時的影響；

（3）溫度變化對超聲檢測傳播聲時的影響。

4 試驗案例

4.1 試驗設備

本次試驗的檢測設備選用HS1010超聲殘余應力檢測儀，檢測精度為1ns；檢測探頭選用ZKCXPR-45X應力檢測探頭，第一臨界角為23°，為增強耦合，在探頭中部安裝吸附強磁鐵。試驗工件選用牌號為DH36的船舶及海洋工程結構用鋼，工件規格為300mm×60mm×15mm。試驗地點選定渤海遼東灣海域某采油平臺，試驗時間選擇冬季。試驗時，將檢測探頭吸附在試驗工件中央位置。檢測設備、探頭及工件如圖2、圖3所示。

圖2 應力檢測儀

圖3 應力檢測探頭及工件

4.2 傳輸信號衰減對比試驗

本部分試驗由潛水員攜帶檢測工件潛水至平臺周圍水下3米位置，測得水溫為5℃。所選用的線纜長度分別為5米、30米、50米、60米、100米共5種。得到的試驗數據如表1 所示：

表1 不同長度線纜的傳輸信號對比表

4.3 水壓影響聲時對比試驗

由于水壓與水深呈正比，本部分試驗由潛水員攜帶檢測工件潛水至平臺周圍不同水深位置，水深分別為0米（水面）、5米、10米、15米、20米、25米及30米共7種，測得水溫為5℃，所選用的線纜長度為50米。得到的試驗數據如表2所示：

表2 水壓-聲時對比表

4.4 水溫影響聲時對比試驗

為便于試驗操作，本部分試驗將試驗工件放置在測試桶中，水桶高50cm，直徑40cm。試驗前從采油平臺附近取海水，水深約30cm，取水時水溫為2℃，經加熱后水溫為50℃。使水溫自然冷卻，從45℃起，水溫每下降5℃記錄一次聲時值，直至下降至當時氣溫0℃。通過上述試驗可得到的試驗數據如表3所示：

表3 水溫-聲時對比表

5 檢測影響因素分析

5.1 傳輸信號衰減對比試驗分析

根據4.2的測試結果可以看出，線纜為5米變化至100米時，聲時在11016～11017ns波動，聲速無變化，但波幅的變化量較大，從最高78.6%下降到31.4%，測試結果表明，隨著線纜長度的增加，超聲能量在不斷的衰減，因此以目前的設備激發聲能水平來看，并考慮到現場檢測過程中因高差、距離產生的的線纜余量，線纜的最大可制作長度為50米，此時的回波波幅為68.4%，尚可滿足檢測需求。若超過50米，則波幅低于50%，影響檢測結果分析，應調整設備的激發聲能、使用衰減率較低的導線等方法，降低因距離產生的聲能衰減。

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5.2 水壓影響聲時對比試驗分析

根據4.3中水壓影響試驗結果可以看出，當水深從0米提升至30米過程中，壓力從0增加至0.3MPa，而聲時變化量為1ns，在設備的精度范圍內。因此，可認為在當前水壓范圍內，水壓對聲時的影響基本忽略不計[2]。

5.3 水溫影響對比試驗分析

根據4.4中溫度影響試驗結果可以看出，聲時對于溫度的變化較敏感，隨著溫度的不斷降低，聲時亦不斷下降，近似為正比例關系。當水溫從45℃降至0℃，溫差為45℃，聲時差為25ns，溫度-聲時平均變化率為0.556ns/℃。若標定實驗與現場檢測的溫差為10℃，則引起的聲時差為5.56ns，假設應力變化率為7MPa/ns，則引起的應力差值為38.92Pa。但須注意的是，此時的應力差并非工件自身的應力，而是由于溫度變化導致聲時同步變化而產生的一種應力偏離。此部分偏離需要在前期實驗對某種材料的工件進行溫度補償實驗，得到溫度-應力數值曲線及溫度-應力影響系數，現場檢測中即可對由溫度變化引起的聲時變化進行補償[3]。

5.4 偏離優化分析

基于文中4.4及5.3的試驗結果及分析，當溫度變化與聲時變化近似為線性關系時，可認為因溫變產生的應力偏離量可表示為溫度試驗獲得的聲時-溫度平均變化率與待測工件、基準試塊之間溫差、應力標定系數相關，其偏離優化的數學表達式為：

式中：

σ（T），因溫度變化引起的應力偏離，MPa；

T1為檢測工件溫度，℃；

T0為基準應力試塊進行應力校準時的溫度，℃；

T2及T3為溫度-聲時試驗時的最高溫度與最低溫度，℃；

K為根據GB/T32073-2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》進行拉伸試驗標定獲得的應力系數，單位（MPa/ns），該系數與被檢的材料特性和探頭間距相關。依據聲彈性原理有：

σ為檢測應力值，MPa；

σ0為基準應力值，通常可認為取0，MPa；

t為檢測聲時值，ns；

t0為基準聲時值，ns；

因此，最終的應力檢測結果應由兩部分構成，即根據標定試驗測得的應力值σ加上應力偏離優化值σ（T）。

6 結束語

文章針對水下超聲應力檢測中可能影響檢測精度的三類因素即線纜長度變化、水壓變化是及水溫變化開展試驗并進行針對性分析。試驗結果表明：

1）線纜長度對傳輸信號的能量衰減影響較大，應根據檢測水深，選取適合的線纜長度，并考慮調整設備的激發聲能、使用衰減率較低的導線等方法，降低因距離產生的聲能衰減。

2）30米水深范圍內，水壓對聲時的影響可忽略不計。

水溫對于聲時傳播影響較大，文中提出的應力優化方法可針對溫度變化引起的應力偏離進行補償，對于提高水下結構檢測精度、真實反映結構應力水平具有一定的工程價值。