超聲應力檢測技術在受泥石流影響壓力管道檢測中的應用

李龍 林凱明 雷勇利

摘? 要：壓力管道是石油和天然氣主要的運輸方式，我國幅員遼闊，泥石流活動區域在我國分布廣泛，壓力管道受泥石流等自然災害影響概率大，為保障受泥石流影響壓力管道安全運行，在不破壞管道本體前提下，將超聲應力檢測技術應用到壓力管道環焊縫應力檢測中。本文以貴州某受泥石流影響壓力管道為研究對象，分析了受泥石流等自然災害影響壓力管道缺陷特征，利用超聲應力檢測對受影響管道進行了當前應力檢測，分析了管道當前應力狀態，提出了整改方案，取得較好效果。

關鍵詞：超聲應力檢測；管道撓曲

隨著我國經濟社會發展，壓力管道總里程逐年增長，被廣泛應用于化工、石油、制藥、能源、航空、環保、鋼鐵、公用工程等領域。

壓力管道因其輸送的介質具有高溫、高壓、易燃、易爆、有毒等特點，一旦發生泄露，將帶來嚴重后果，其安全性、穩定性一直是社會關注的焦點。

壓力管道的鋪設地區在我國分布廣泛，穿越地形復雜，且沿途自然條件變化多端，受諸如山洪、滑坡、崩塌、泥石流、地震等自然災害影響概率大[1]。泥石流是一種強突發性災害，泥石流發生時流體沿著溝床侵泄而下所帶來的強大沖擊力可以對壓力管道造成巨大的撞擊，可能導致管道發生位移、變形，對管道應力分布狀態產生影響，可能在管道局部加大應力集中，嚴重影響管道服役壽命。

一、超聲應力檢測技術

應力（載荷應力）檢測的相關研究，源于20世紀30年代，目前已經發展出數十種檢測方法。常見的應力檢測方法可分為機械檢測法和物理檢測法。機械檢測法需要在檢測的過程中對工件進行破壞，常見的有剖分法、環芯法等；物理檢測法常見的有X射線衍射法、超聲波檢測法、磁測法和掃描電子聲顯微鏡法等，在檢測過程中不需要對檢測工件進行破壞，屬于無損檢測方法的范疇。其中超聲波檢測法具有高分辨率、高滲透力和對人體無害等特點，是目前應用最廣泛的應力無損方法之一。

1、聲彈性理論

超聲應力檢測的理論基礎為聲彈性理論。彈性波在被檢工件（固體材料）中的傳播速度不僅取決于材料的二階彈性常數和材料密度，還與材料高階彈性常數和應力有關[2]。當被檢工件中應力方向與超聲波縱波方向一致時，拉伸應力使超聲縱波在被檢工件中的傳播速度變慢，壓縮應力使超聲波傳播速度變快。因此，在外界激勵條件保持不變的情況下，若測得與被檢工件材料相同的零應力試塊（應力值?₀）對應的超聲傳播時間（t₀）和被檢工件（應力值?）對應的超聲傳播時間（t），根據時間差求出被檢工件中的應力絕對值[3]。即

?-?₀=K（t-t₀）

式中應力系數，與被檢件的材料和探頭間距有關，可通過拉伸試驗標定獲得[3]。超聲臨界折射縱波收發原理及殘余應力檢測區域如圖1所示。

2、超聲應力檢測系統構成

超聲應力無損檢測系統包括：超聲信號激勵和接收采集模塊（含超聲激勵模塊、回波接收模塊、數據采集模塊、數字控制模塊及通信數據模塊等）、應力檢測探頭（含超聲收/發換能器和定制聲楔塊）、環境溫度采集模塊（含熱電阻、熱電阻信號調理器、溫度采集卡等）、外圍設備（含自動檢測行走機構、應力檢測探頭夾持裝置、超聲型號傳輸線、耦合劑）、軟件系統、設備標定和校準系統（含應力系數、基準零應力試塊等）、便攜工控機[4]。系統組成框圖如圖2所示。

二、受泥石流影響壓力管道超聲應力檢測案例

某單位新建壓力管道，受泥石流自然災害影響，受影響管線長約180米，其水工保護設施損毀造成露管。管道參數如表1所示。

1、受泥石流影響壓力管道主要缺陷

現場宏觀檢查發現，裸露管道主要存在外防腐層破損、管道撓曲及局部異常變形等缺陷，具體如下：

（1）管道撓曲

該管段因受泥石流或洪水沖刷影響，地面管道水工保護設施（截水墻）、管道地面標識、陰保測試樁被完全沖毀，管段上部及底部填埋覆土被沖走，整段管道除了有三塊石頭卡在管道底部，管體大部分處于懸空狀態，管道整體存在較大撓曲變形（圖3），在管道出土端及入土端存在較大應力。測量管道現有應力數值，掌握管道應力水平并對應力較高位置進行治理成為此次管道安全評估的關鍵。

（2）局部變形

受泥石流中石塊撞擊，管道存在局部凹陷變形情況，宏觀檢查在管道表面發現一處 120×90×2mm 的凹陷（圖4）。經現場評估凹陷深度未超過管道外徑的 6%，根據《基于風險的埋地鋼制管道外損傷檢驗與評價》GB/T30582-2014 第 7.3.4.2 條基于凹陷深度準則，以及《承壓設備合于使用評價》GB/T35013-2018 分別進行了使用評價，符合要求，缺陷可不用修復。

（3）管道防腐層破損

現場發現管道外防腐層破損較嚴重，主要集中在管道下表面（圖5）。管體金屬外表面有碰傷及刮傷痕跡，防腐底漆被破壞。管體碰傷、刮傷部位主要集中在管段的前半部分、彎管及拐角等位置。需要對破損位置進行修復。

2、超聲應力檢測

本次檢測現場共選取了出土端、2處撓曲變形較大位置管道對接焊縫進行了超聲應力檢測，檢測部位距離對接焊縫兩側 0.5 米處。測點分布如圖6所示，現場檢測過程按照GB/T 32073-2015《無損檢測殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》，使用L450M 基準零應力試塊進行了應力校準，儀器設備主要參數如表2所示[5]。

（1）工況1：管道原始狀態，無人為附加支撐

本次檢測管道當前應力均為軸向應力，最大拉應力值出現在焊縫1（6#）點位置，為302.27MPa，各測點測量值曲線圖如圖7所示。

（2）工況2：采用一組管套及千斤頂對管道進行垂直支撐（圖8）

經現場檢測近支撐點位置管道應力水平較工況1有所下降，最大下降值為 10.94MPa，遠支撐點測試位置管道應力水平較工況1無明顯變化。各測點測量值曲線圖如圖9所示。

（3）采用工程機械對管道斜向上牽拉（圖10）

此工況下，兩處管道應力較大位置應力較工況1有明顯下降，最大下降值為 59.08MPa。各測點測量值曲線圖如圖11所示。

（4）結果分析

綜上，采用沿管線頂升方式能夠有效降低管道測量點應力水平，在后期恢復回填工程中，應采用增加管道法向及軸向位移支撐或固定支架方式對受泥石流影響管線進行修復。

四、結論

受泥石流影響，壓力管道主要存在管道局部變形以及防腐層破損等缺陷，利用超聲應力檢測對受影響管道進行當前應力檢測，能夠快速定位管線應力較大位置，對管線后期恢復治理提供數據支撐。檢測結果表明：超聲應力檢測技術具有較好的準確性、實用性，能夠很好的解決在役壓力管道當前應力檢測問題，確保服役管道安全穩定運行。

參考文獻

[1]金鵬威。泥石流沖擊作用下管道動力響應分析[D].西南石油大學，2018.

[2]徐春廣，王俊峰，宋劍峰，田海兵，藺廉普，饒心。油氣管道焊接殘余應力超聲無損檢測與原位調控技術[J].石油科學通報，2016，1（03）：442-449.

[3]GB/T 32073-2015， 無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法[S]

[4]潘勤學，栗勇，徐春廣，肖定國，楊向臣，伍懿。超聲法焊縫殘余應力檢測技術研究[J].電子機械工程，2012，28（01）：8-12+46.DOI：10.19659/j.issn.1008-5300.2012.01.002.

[5]徐春廣，宋文濤，潘勤學，李驍，靳鑫，劉海洋。殘余應力的超聲檢測方法[J].無損檢測，2014，36（07）：25-31.

作者單位：

李龍：貴州天然氣管網有限責任公司

林凱明、 雷勇利：廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院