李玉坤1 于文廣1 費凡2 王鴻膺1 王龍升1 牛海仲1

1.中國石油大學(xué)（華東）； 2.中石油北京天然氣管道有限公司

 

摘 要：當油氣管道受到土體的推動(dòng)作用產(chǎn)生不均勻變形就會(huì )面臨著(zhù)安全評價(jià)的問(wèn)題：管段變形后其剩余安全裕度是多少，是否需要應力釋放或更換管段�；�于聲彈性理論，研究了超聲波法測試變形管道運行工況下的應力測量方法，自主研發(fā)油氣管道在線(xiàn)應力超聲測量專(zhuān)用裝置，形成了一套管道運行工況下應力測量技術(shù)，并進(jìn)行現場(chǎng)工程應用嘗試。結果表明該技術(shù)是測量變形管段運行工況下應力的有效手段，為定量評價(jià)管道安全裕度和修復質(zhì)量提供可靠的數據。

 

到2025年全國油氣管網(wǎng)規模將達到24萬(wàn)公里[1]。在役油氣管道不可避免受到地質(zhì)災害的潛在威脅，如斷層錯動(dòng)、山體滑坡、黃土濕陷、地基沉降、泥石流、凍土、水毀等。當地質(zhì)災害引發(fā)地面發(fā)生變形時(shí)，土體會(huì )產(chǎn)生不可逆變形，管道進(jìn)而會(huì )受到土體的推動(dòng)作用發(fā)生不均勻變形，變形嚴重時(shí)將會(huì )被損壞[2]。

地質(zhì)災害引發(fā)管道產(chǎn)生變形后，現場(chǎng)工程師面臨的問(wèn)題是：發(fā)生變形的管段是否達到其安全極限，是繼續使用還是釋放應力或更換管段？這直接關(guān)乎企業(yè)安全運營(yíng)和經(jīng)濟效益。目前往往只能憑借經(jīng)驗進(jìn)行判斷，缺乏科學(xué)判據。因此亟需一種測量技術(shù)，直接測量危險或者變形管段在工況下的應力數值，依據該數值對管道進(jìn)行快速安全評估。筆者基于聲彈性理論，研究超聲波測試地質(zhì)災害變形管段在線(xiàn)應力的理論和方法，研發(fā)了超聲測量裝置，標定了常用管線(xiàn)鋼的應力系數；并進(jìn)行了現場(chǎng)工程應用。

1 理論基礎

利用超聲波測量變形管段在線(xiàn)應力的理論基礎是聲彈性理論，即超聲波波速與材料應力間的線(xiàn)性關(guān)系[3]。 Bray首先證明了各種類(lèi)型聲波對應力的敏感性具有一定的差異性，其中臨界折射縱波（LCR）對應力最為敏感[4,5]。 2008年，巴西R. S. Fraga [6]采用LCR波測量X70鋼樣品以研究溫度對測量結果的影響程度。 2013年，伊朗Yashar Javadi [7]采用LCR波測量了奧氏體不銹鋼管軸向焊接殘余應力，測量結果與有限元計算結果有較好的一致性。國內學(xué)者徐春廣教授[8]、馬子奇[9]和宋文濤[10]博士等人對超聲法測試管道焊縫殘余應力開(kāi)展了研究和現場(chǎng)應用。中國石油大學(xué)（華東）李玉坤團隊推導了雙向應力狀態(tài)下縱波聲彈性公式，該公式適用管道雙向應力情況，為測試 管道表面真實(shí)應力狀態(tài)提供了有效計算方法[11-12]。

在材料彈性范圍內， LCR波測試應力基于應力與聲傳播時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系，縱向平面波平行于加載方向的傳播速度與應力（σ ）關(guān)系見(jiàn)式（1）[13]：

 

V11是平行于加載方向的波傳播速度； ρ0是材料沒(méi)有應力下的初始密度； λ,μ 是二階彈性模量；ι,m ,n 是三階彈性模量； ε 是加載方向上的應變；ν 是泊松比。

對公式（1）進(jìn)行推導簡(jiǎn)化，得到常用公式（2）：

 

Δσ為施加應力的改變； Δt 為試件中LCR波飛行時(shí)間的改變； K 為應力系數，由材料本身性質(zhì)決定，對于特定材料是常數。

由公式（2）可知，標定應力系數K 后，通過(guò)精確測量LCR波傳播的聲時(shí)或聲時(shí)差，就可以計算得到對應的應力值。

2 油氣管道在線(xiàn)應力超聲測量裝置

自主研發(fā)了“油氣管道在線(xiàn)應力超聲測量裝置”（專(zhuān)利號ZL 201710110210X），裝置主要包括低功耗處理器、超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、時(shí)間測量電路模塊、液晶顯示及交互模塊、電源管理模塊和溫度測量模塊（圖 1）。研發(fā)和改進(jìn)的整個(gè)周期都考慮了油氣管道應力測試的多種工況，更能適應油氣管道現場(chǎng)測試的復雜環(huán)境。該油氣管道專(zhuān)業(yè)性應力測試工具成功將超聲波傳播時(shí)間測量精度由 1ns精確至0.1 ns，管道在線(xiàn)應力測量誤差小于20 MPa。

超聲激發(fā)和接收一體換能器如圖 2所示，有機玻璃楔塊中有一個(gè)激發(fā)換能器和一個(gè)接收換能器，聲程L 固定為35 mm。換能器和被測介質(zhì)的傾斜角為28°，換能器頻率為5 MHz。

                

3 常用管線(xiàn)鋼應力系數標定

根據公式（2），在現場(chǎng)測試前需要標定應力系數K ，通過(guò)室內標定實(shí)驗得到常用管線(xiàn)鋼（X52、X60、 X70、 X80）的應力系數。

如圖 3所示，將超聲收發(fā)換能探頭和試件放置于恒溫箱內，達到穩定耦合狀態(tài)后，測量LCR波傳播時(shí)間t0。將試件固定于萬(wàn)能試驗機上， LCR波傳播方向平行于加載應力方向。試件由自由狀態(tài)起始，逐步增加載荷，直到外部載荷應力達到屈服強度的70%左右。每增加完一次載荷，待載荷穩定后，測量該載荷下的LCR波傳播時(shí)間。

按照公式（2）擬合出應力―聲時(shí)差曲線(xiàn)，如圖 4(a)所示， X52管線(xiàn)鋼的應力―聲時(shí)差曲線(xiàn)呈較為嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，曲線(xiàn)的公式σ =13.813 ∆t ，則試件（X52管材）應力系數K =13.813 MPa/ns，即表示LCR波傳播時(shí)間每發(fā)生1 ns的變化，代表被測介質(zhì)中就有13.813 MPa的應力變化。同理得到X60，如圖 4（b）、 X70、 X80應力系數。

                

圖 4  常用管線(xiàn)鋼應力―聲時(shí)差曲線(xiàn)圖

（探頭編號：U1805001；標定溫度：20℃）

4 工程應用實(shí)例

基于委托方測量和評價(jià)的具體需求，結合工程現場(chǎng)應用實(shí)踐，形成了“應力初測評價(jià)―維護措施建議―修復后應力復測質(zhì)量評價(jià)”測量評價(jià)方法。

4.1 凍脹管段

某天然氣分輸站出站口位置管線(xiàn)在低溫下運行，導致管道周?chē)�土壤凍結，發(fā)生凍脹現象，埋地管段被抬升，與之連接的臨近地面管段被帶動(dòng)抬升，致使管段閥體離開(kāi)支座(圖 5)，管道內部應力增加，安全裕度減小。利用超聲測量裝置對凍脹管段進(jìn)行了測量和評價(jià)（表 1）。

                    

應力初測評價(jià)：經(jīng)現場(chǎng)實(shí)地測試，測點(diǎn)A、 B處應力值分別為﹣280.6 MPa和﹣205.6 MPa（壓應力），測點(diǎn)C處應力值為130.0 MPa（拉應力）。三處測點(diǎn)應力值偏高，但仍滿(mǎn)足強度條件。

維護措施建議：建議開(kāi)挖釋放應力。

應力復測修復質(zhì)量評價(jià)：開(kāi)挖后檢測相同測點(diǎn)應力，測點(diǎn)A、 B、 C處應力值分別為187.2 MPa、154.6 MPa和117.6 MPa，應力明顯得到釋放。

4.2 沉降管段

某輸油處計量站作業(yè)區輸油管道一處支墩有明顯下沉，管道有明顯位移，地面出現凹陷，南北最大高程差達16.3 cm。附近房屋墻體與地面之間開(kāi)裂。初步判斷作業(yè)區地基沉降，引起埋地管道發(fā)生較大變形（圖 6）。圖 6（b）示出5個(gè)測點(diǎn)位置，測量共分四個(gè)階段進(jìn)行。

第一階段：停輸工況下， 1、 2、 3號測點(diǎn)應力水平；

第二階段：輸油工況下，開(kāi)挖埋地管道， 1、 2、3號測點(diǎn)應力水平；

第三階段：輸油工況下，開(kāi)挖埋地管段，添加千斤頂支撐并松開(kāi)部分支墩的螺栓，釋放部分應力后（24小時(shí)），測量1、 2、 3號測點(diǎn)應力水平，另外增加4號測點(diǎn)；

第四階段：輸油工況下，待充分釋放應力后（48小時(shí)），回填埋地管道，保留部分支撐并重新擰緊螺栓，測量1、 2、 3、 4號測點(diǎn)應力水平，再次增加5號測點(diǎn)作為補充。

表 2為所有測量點(diǎn)的四次應力測量結果，圖 7 為1、 2、 3號測點(diǎn)四次測量結果變化曲線(xiàn)。從結果可知： 1號測點(diǎn)應力值始終在安全范圍內，變化范圍不大； 2號測點(diǎn)應力值變化最大，第一次測量結果明顯 高于其他測點(diǎn)，并且已達到了屈服應力，經(jīng)過(guò)應力釋放后應力水平有所下降，再一次支撐釋放應力，應力數值進(jìn)一步減小，修復后應力有很小增加，但都滿(mǎn)足強度要求； 3號測點(diǎn)應力變化規律與2號點(diǎn)類(lèi)似，經(jīng)過(guò)開(kāi)挖后應力得到釋放，修復后滿(mǎn)足強度要求； 4號測點(diǎn)位于靠近彎頭的位置，應力值較小且變化不大； 5號測點(diǎn)是修復后的補充測點(diǎn)，其應力值在安全范圍內。

                    

5 結論

（1）針對地質(zhì)災害引發(fā)油氣管道變形的工程問(wèn)題，基于聲彈性理論，開(kāi)發(fā)了變形管道運行工況下應力測量技術(shù)：油氣管道在線(xiàn)應力測量專(zhuān)用裝置、管材室內標定設備和現場(chǎng)測量配套工具。

（2）自主研制的油氣管道應力測量裝置，應力測量誤差小，測量快速、穩定，是管道運行工況下應力測量的關(guān)鍵設備。

（3）組建了高精度室內標定配套設備，標定管線(xiàn)鋼的零應力LCR波傳播時(shí)間和應力系數，為現場(chǎng)準確測量提供了基礎。

（4）形成了“應力初測評價(jià)―維護措施建議―修復后應力復測質(zhì)量評價(jià)”測量評價(jià)方法，在凍脹管段與沉降管段的應用實(shí)踐中取得很好效果。

 

參考文獻：

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基金項目：中國石油科技創(chuàng )新基金項目（2017D-5007-0605）。

作者：李玉坤，男， 1973年11月生，副教授， 2007年博士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣田開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)，現主要從事管道與儲罐結構強度和安全專(zhuān)業(yè)方向的研究工作。