李林濤 孟濤 曾維國 吳登

中國特種設備檢測研究院

摘要：介紹了基于cosα法的X射線(xiàn)衍射測量管道表面應力技術(shù)，并進(jìn)行了現場(chǎng)應用。結果表明，該方法為油氣管道表面應力在線(xiàn)檢測提供了一個(gè)較好的解決辦法。該技術(shù)所測表面應力反映的是微觀(guān)區域的應力，如何采用表層或近表層微觀(guān)區域應力評價(jià)管道安全狀況，建立相應的評價(jià)模型及評價(jià)標準，還需深入研究。

關(guān)鍵詞：油氣管道；地質(zhì)沉降；表面應力； cosα法；X射線(xiàn)衍射

油氣管道受地質(zhì)災害等因素影響，發(fā)生事故多為管道本體應力超限。如地質(zhì)沉降使管道容易在沉降區域土體位移的作用下發(fā)生拉壓和扭曲變形，產(chǎn)生裂縫、拉斷等，導致管道薄弱處破裂、泄漏、起火或爆炸。因此，對存在或發(fā)生地質(zhì)沉降區域的管道進(jìn)行表面應力測量與監測，提高管道安全風(fēng)險預警能力非常必要。

1  基于cosα法的 X射線(xiàn)衍射法

管道殘余應力無(wú)損檢測方法主要有磁性法、超聲波法、中子衍射法、X射線(xiàn)衍射法等。X射線(xiàn)衍射法理論相對成熟，檢測標準也已完善，但該方法大多基于實(shí)驗室測量，相應儀器復雜，工業(yè)現場(chǎng)檢測應用較少。

X射線(xiàn)衍射法測量表面殘余應力利用布拉格定律，即X射線(xiàn)波長(cháng)λ的條件下，布拉格定律把宏觀(guān)可以測量的衍射角2θ與微觀(guān)的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。1961年德國E.Mchearauch依據布拉格定律及胡克定律提出了X射線(xiàn)應力測定的sin2ψ法，即應變(應力)與衍射晶面方位角ψ的正弦平方成函數關(guān)系。

1997年日本科學(xué)家SASAKI等提出用單次入射方法在試樣和面陣探測器相對位置固定的情況下，單次曝光獲得德拜環(huán)信息計算應力，方程變量為cosα，該方法也被稱(chēng)為單次入射cosα法。該方法利用圓形全二維探測器獲取X射線(xiàn)在給定角度入射后的全部衍射德拜環(huán)，使得現場(chǎng)測量和不規則形狀樣品測量成為了可能。cosα法應力儀采用中間開(kāi)孔的面陣探測器，X射線(xiàn)穿過(guò)中心孔照射到樣品上，探測器在相對于樣品的固定角度和距離捕獲衍射峰的環(huán)狀信息即德拜環(huán)，見(jiàn)圖 1。根據有無(wú)應力存在時(shí)德拜環(huán)的偏離角α，通過(guò)胡克定律推導出以下應力方程：

圖 1 單次入射cosα 法原理示意圖

假定試樣表面平面應力狀態(tài)下，表面法線(xiàn)方向的剪切應力τ13、τ23為零，即殘余應力的計算表述為：

可以看出，應變(應力)與cosα成線(xiàn)性關(guān)系。

2  X射線(xiàn)衍射檢測技術(shù)應用

2.1  管道概況及檢測參數

選取A、B兩座天然氣凈化廠(chǎng)4條（A1、A2、B1、B2）在役放空管道進(jìn)行軸向應力檢測，對比分析地基沉降對管道應力影響程度。其中A廠(chǎng)管道存在地基沉降，規格為Φ168 mm×7.5 mm，材質(zhì)為20#鋼。B廠(chǎng)管道未發(fā)生沉降，其管道走向、規格、介質(zhì)、功能、運行條件等與A廠(chǎng)一致。

基于cosα法的X射線(xiàn)衍射檢測技術(shù)，采用u-X360便攜式X射線(xiàn)應力檢測儀。管道表面處理采用電解拋光儀，電解拋光及測量參數見(jiàn)表 1。

2.2  檢測方法

（1）除漆劑除去防腐油漆，露出管材本體。

（2）采用1000目砂紙除去管體表面氧化層，打磨區域2 cm×2 cm，采用W2.5/4000目金剛石研磨膏進(jìn)行表面拋光。

（3）透明膠帶貼出正方形待電解拋光區，面積為1 cm×1 cm，調節電解拋光電壓，進(jìn)行電解拋光。

（4）調試u-X360便攜式X射線(xiàn)應力檢測儀，進(jìn)行測量。

2.3  檢測結果與分析

2.3.1  管道檢測數據對比

每條管道檢測6處軸向應力，檢測位置見(jiàn)圖 2，檢測數據見(jiàn)圖 3。

圖 2 測點(diǎn)位置示意圖

圖 3 A、 B兩廠(chǎng)4條管道應力檢測數據

由圖 3看出，4條管道表面應力均為拉應力，且A廠(chǎng)管道測點(diǎn)所受拉應力均大于B廠(chǎng)管道對應位置�？紤]到兩廠(chǎng)管道材質(zhì)、處理狀態(tài)、焊接工藝、檢測環(huán)境、檢測時(shí)的介質(zhì)狀態(tài)等因素均相同，由此造成的應力差基本可判定由地質(zhì)沉降引起，即A廠(chǎng)管道所受應力為沉降引起的附加應力和制造引起的殘余應力的綜合狀態(tài)，B廠(chǎng)管道只存在制造引起的殘余應力。

測點(diǎn)1到測點(diǎn)2，測點(diǎn)5到測點(diǎn)6兩廠(chǎng)管道應力變化趨勢相同，測點(diǎn)3、4、5之間應力變化規律不明顯，因其均位于直管段，沉降對該區域影響不大。

2.3.2  管道表面不同深度應力大小

選取與A、B兩廠(chǎng)管道材質(zhì)相同（20#鋼）的加工試樣以不同時(shí)間電解拋光，試樣尺寸50 mm×25 mm×2.55 mm。試樣待電解拋光區域原始壁厚2.55 mm，經(jīng)過(guò)10 s、60 s、240 s不同時(shí)間拋光，測得剩余壁厚分別為2.55 mm、2.43 mm、2.38 mm，經(jīng)計算平均電解腐蝕速率為0.7 μm/s。在上述時(shí)間范圍內，電解拋光剝層厚度在幾微米到幾百微米的范圍內。

選取A1、A2管道測點(diǎn)7（圖 2）。對不同電解拋光時(shí)間下的表面應力進(jìn)行檢測。由圖 4可以看出，所測應力隨電解拋光時(shí)間延長(cháng)成梯度降低趨勢，實(shí)際反映了管體表面不同深度的應力大小。管體應力變化最劇烈的位置多在管體表面或近表層。管道因地基沉降產(chǎn)生較大附加應力、制造過(guò)程產(chǎn)生的殘余應力所引起的顯著(zhù)應力梯度，都集中于表層或近表層。

圖 4 A廠(chǎng)A1、 A2管道測點(diǎn)7表面深度應力值

3  結論

（1）基于cosα法的X射線(xiàn)衍射檢測技術(shù)為在役油氣管道表面應力檢測提供了一個(gè)較好的檢測方向。通過(guò)檢測沉降區域及未沉降區域同類(lèi)管道表面應力，前者明顯大于后者，較好地反映了管道受力情況。

（2）管體表面微米級深度的表面應力隨深度增加而遞減，變化最劇烈的殘余應力存在于管體表面或近表層。

（3）基于cosα法的X射線(xiàn)衍射檢測技術(shù)反映的是微觀(guān)區域的應力，如何采用表層或近表層微觀(guān)區域應力評價(jià)管道安全狀況，建立相應的評價(jià)模型及評價(jià)標準，還需深入研究。

作者簡(jiǎn)介: 李林濤，1989年生，工程師，主要從事壓力管道損傷及相關(guān)檢驗檢測工作。聯(lián)系方式：13227871015，lintao68@163.com。