超声波应力测量技术在褶皱管道上的应用

赵 康

（国家管网集团西部管道公司， 乌鲁木齐 830013）

0 前 言

冻胀、 融沉是我国西北、 东北高寒高原地区在役管道所面临的主要影响因素之一。 由于管道周围冻土层温度不均， 季节交替时期存在冻融循环现象， 土壤发生不均匀位移， 带动管线逐渐偏离原有的铺设路径， 造成管道弯曲变形， 最终导致管道破损、 泄漏， 严重威胁公共安全[1-3]。 根据应力测量结果对该类已发生变形的管道当前应力水平进行量化， 判断管道承受的载荷类型， 分析载荷产生原因， 对冻土区管道结构完整性和安全运行具有重要的工程意义[4]。

超声波应力测量技术具有无损、 测量速度快、设备便携等优点， 在航空发动机、 动车钢轨、 建筑结构、 机翼蒙皮、 高强螺栓等领域广泛应用，已成为近些年来的研究重点[5-9]。 也有学者将超声波应力测量技术在管道上开展了应用， 如路浩等[10]开发了超声波法无损残余应力测量系统， 测量了X80 管道的残余应力并与小孔法进行了对比验证。上述文献表明， 该技术能够直接测量管道当前状况下的轴向应力， 是测量管道应力的有效手段，但在已经发生变形的管道上的适用性仍需进一步验证。 本研究针对某高原冻土地区存在褶皱缺陷的管道， 应用超声波应力测量技术， 开展了管道在线轴向应力检测， 通过应力测量结果对管道的受力状况和褶皱成因进行了分析， 从工程应用的角度探讨了超声波应力测量技术的适用性。

1 基本原理

超声波应力测量技术的重点在于准确测量超声波传播时间（声时） 以及超声波与应力之间的关系。 根据声弹性理论可知， 钢材弹性变形范围内， 应力大小与超声波的传播速度呈线性关系[10]，其中应力变化和临界折射纵波波速的关系[11]通常为

式中： dσ——应力的微分， MPa；

E——材料的弹性模量， MPa；

dt——超声波传播时间的微分， ns；

t0——无外加应力时的声时， ns；

L11——声弹性系数， 无量纲。

由式 （1） 可知， 对于均匀的、 连续的、 各向同性的材料， 弹性模量E、 声弹性系数L11和声时t0均为常数， 故可用应力系数K 代替， 即

式中： Δσ——材料中应力的变化量， MPa；

Δt——材料表面声时的变化量， ns；

K——材料的应力系数， MPa/ns。由公式 （2） 可知， 若要测量管道应力， 可通过测量当前声时与零应力状态下声时的差值，结合材料的应力系数来计算应力。 实际测量过程中， 首先需开展试验标定应力系数K 以及零应力时的声时t0， 再通过超声测量设备测量当前声时， 就可以计算得到对应的应力值。 在实际应用中， 超声波传播速度受温度影响， 故应尽量使零应力试块温度与被测材料一致。

2 测量装置

图1 所示为本研究采用的在线应力超声测量装置， 该装置由中国石油大学（华东） 李玉坤课题组自主研发[13]， 主要功能为根据超声波（临界折射纵波） 在管道表面的传播时间来计算应力。

如图1 （a） 所示， 测量装置主要包括6 个模块： ①超声发射、 接收模块； ②超声波传播时间测量模块； ③低功耗数据处理模块； ④系统供电源管理模块； ⑤人机交互及显示操控模块； ⑥管道温度测量模块。 装置外接LCR 波超声探头，探头内置两个换能器， 实现电信号和超声信号的相互转化。 超声装置实现了临界折射纵波特征信号的提取和声时的快速准确测量， 时间测量精度为1 ns， 进而可以根据声时测量结果计算应力，准确得知在役管道当前状况下的应力水平[14]。 超声波应力测量技术的测量结果为管道所有应力的叠加， 既包括残余应力， 也包括温度、 内压造成的应力， 还包括管道周围土体不均匀沉降产生的应力， 因此测量结果无法直接区分应力产生原因。

3 应力系数标定

由公式 （2） 可知， 确定超声波与应力的关系， 关键在于确定应力系数K 和零应力状态下的声时t0。 在现场测试前需要在室内对K 和t0进行标定， 标定试件由X60 管材制成， 材质与待测管道相同， 厚度为6 mm。 测量前需对试件进行热处理， 热处理工艺应符合GB/T 16923—2008 《钢的正火及退火》 的规定。 热处理后对试件表面进行打磨， 保证试件表面粗糙度Ra小于5 μm， 连续5 次测量声时变化不超过1 ns。

应力系数标定试验如图2 所示， 将X60 钢标准单向拉伸试件夹持在拉伸试验机上， 试验温度为25 ℃， 使用液氮及温控箱保持温度恒定。 在探头上涂抹2.5 mL 耦合剂（甲基硅油）， 静置于试件表面， 并重复进行声时测量， 直至连续三次测量得到的声时变化值小于1 ns， 得到t0=10 042 ns。一发一收探头固定于试件中部， 探头方向与试件加载方向一致。 从零开始逐步增大载荷， 加载速率为0.5 MPa/s， 直至350 MPa， 即屈服强度的80 %左右； 同时应力每增加10 MPa， 恒载50 s，测量该应力下的LCR 波传播时间。

图3 所示为两次加载过程中应力与声时的测量结果， 并按线性公式进行拟合。 由图3 可知， X60 试件施加不同应力时的超声波传播时间均匀增大， 二者呈线性关系。 X60 管材应力系数K=14 MPa/ns， 表示材料内部应力增大14 MPa，超声波传播时间增大1 ns； 零应力下的初始声时t0为10 042 ns。 根据拟合得到的公式， 代入声时计算得到应力， 并与应变片法测得的应力进行对比， 二者误差小于10 MPa， 表明了拟合公式的准确性。 明确了X60 管材的应力系数及声时后， 即可开展现场在线超声波应力测量。 本次试验得到的数值可为其他X60 管道提供依据。

4 现场应用

4.1 管道基本情况

待测管道为天然气管道， 敷设于海拔3 600 多米的高原冻土层中。 管道周围冻土层较厚， 管道周围地势较为平坦， 但管道周围土质较为疏松， 开挖点坑内积水泥泞， 存在少数的石块。 冻土土体发生融沉和冻胀， 导致管道稳定性发生变化， 管道开挖现场及管道状况如图4 所示。

管道材质X60， 公称直径660 mm， 设计壁厚7.1 mm， 管顶埋深2.5 m， 常年运行温度为20～30 ℃， 测量期间管道停输， 保压3.5 MPa，温度18 ℃。 管道6 点钟位置存在褶皱缺陷， 褶皱区域长度120 mm， 宽度532 mm， 壁厚为7.01～7.24 mm。 同时， 开挖后发现管道发生明显变形，开挖段管道沿管段竖直方向呈“S” 形变形， 最高点位于缺陷处， 最低点位于缺陷上游18 m 处。

4.2 现场应力测量

针对该变形管段， 使用在线应力超声测量装置， 测量了本段褶皱缺陷管道的轴向应力。 测点位置如图5 所示， 共计测量了9 处管道截面， 测点与焊缝距离均大于30 cm。 2 号和3 号测点位于套筒两侧， 3 号测点距离褶皱0.8 m， 2 号测点距离褶皱0.9 m。 每个截面上至少测量管顶（0 点钟） 和两侧 （3 点钟、 9 点钟） 处的应力。除此之外， 其中3 号、 4 号、 6 号、 7 号、 8 号测点还对管底（6 点钟） 的应力进行测量， 根据管道的应力测量结果和现场实际状况判断该管段的受力状态。

超声法在线应力测量步骤如下：

（1） 采用磨光机进行初步打磨， 去除表面油漆或者铁锈， 再使用砂带打磨机进行细磨， 打磨方向沿管道轴向。 超声应力测量对待测平面粗糙度及平面度要求较高， 测点区域表面需满足均匀、 无腐蚀坑， 且面积大于30 mm×100 mm， 粗糙度Ra不得大于5 μm， 平面度不得大于5 μm。

（2） 将零应力试件与待测点管壁接触， 使用温度传感器测量管壁与零应力试件的温度， 确保温差小于0.1 ℃后再开始应力测量； 根据所测温度选用对应黏度的耦合剂。

（3） 将超声探头与零应力试件通过耦合剂耦合， 保持超声波传播方向与试件长度方向一致；当耦合状态稳定时测量并记录零应力试件的声时和温度。 为确保耦合状态稳定， 应确保连续3 次测量声时变化不超过1 ns， 温度变化不超过0.1 ℃。

（4） 将超声探头与管道测点表面通过耦合剂耦合， 保持超声波传播方向与管道轴向一致；当耦合状态稳定时测量并记录零应力试件的声时和温度。 为确保耦合状态稳定， 应确保连续3 次测量声时变化不超过1 ns， 温度变化不超过0.1 ℃， 应力测量结果变化不超过10 MPa； 若应力测量结果不稳定， 应重新打磨管道表面并重复测量管壁应力。

4.3 测量结果分析

图6 为9 个测点应力测量结果。 由图6 可知，管道轴向应力都为压应力， 表明管道轴向载荷以受压为主。 X60 管材屈服强度规定为415 MPa，而测点2 及测点3 管底6 点钟位置的应力值均超过-420 MPa， 应力值已经达到设计时的屈服强度， 表明管道褶皱附近区域已进入塑性变形阶段。 应力测量结果与管道变形情况基本一致，套筒处变形最大， 存在显著的应力集中现象；越往两侧应力值逐渐减小。 根据内压作用下管道应力计算公式[15]， 当内压为3.5 MPa 时， 轴向应力为45 MPa； 将测量结果减去内压产生的轴向应力， 超过了X60 管道的屈服强度415 MPa，但要低于抗拉强度545 MPa， 释压后管道塑性变形进一步增大。

图7 所示为套筒两端2 号及3 号测点截面不同位置的轴向应力绝对值。 由图7 可知， 3 点钟和9 点钟应力值较为接近， 0 点钟应力值较小，6 点钟应力值较大， 0 点钟和6 点钟的应力值差异是造成套筒附近向上弯曲变形的重要原因。 超声应力测量结果表明， 管道轴向承受较大的压应力， 可能是由于管道安装温度较低， 而运行温度较高 （20～30 ℃）， 管道为直线敷设， 温度升高带来的伸长量未得到有效补偿， 导致管道轴向受压力作用。 其次， 主要由于融沉导致土壤位移，土体与管道之间相互作用， 给管道带来了额外的不均匀载荷， 导致管道受到弯矩作用。 轴向压力和弯矩共同叠加， 管道所承受的压应力值达到屈服强度， 产生了褶皱缺陷。

敷设于高原冻土地区的管道温度与周边环境存在较大差异， 且周边土壤易发生大面积融沉现象， 给管道带来了额外载荷。 在线应力超声测量技术能够直接测试出管道运行状态下应力， 判断出管道变形及受力情况， 并给出当前工况下管道安全裕度， 为现场工程师开展维护提供可靠的数据支撑。

5 结 论

（1） 标定得到了X60 管线钢零应力状态下的超声波传播时间和应力系数， 为在役管道超声波法应力测量技术的现场应用提供了基础， 并可为其他同类X60 管线钢提供参考。

（2） 应力测量结果表明， 管道轴向承受较大压应力和弯曲载荷， 褶皱附近压应力最大， 达到435 MPa， 超过X60 管线钢的屈服强度， 是褶皱变形产生的主要原因。

（3） 在线应力超声波测量技术能够直接测试出管道运行状态下的应力， 判断出受力情况并给出当前工况下管道安全裕度， 为现场工程师开展维护提供可靠的数据支撑。