路 浩，朱 政,邢立偉

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

我國的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，斷裂帶多，緯度跨度大,溫差、海拔落差大,對管道的安全管理提出了很高的要求。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)表明，應(yīng)力是管道失效的主要原因[1]。殘余應(yīng)力與服役應(yīng)力的疊加、釋放、演變會(huì)使服役管道的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，需要檢測人員給予重視。

應(yīng)力檢測方法主要分為有損傷的應(yīng)力釋放法和非破壞的物理法兩個(gè)類別。典型方法例如小孔法、X射線法較為成熟，但小孔法會(huì)對工件造成破壞，X射線法存在受合金成份干擾大、測量深度淺、操作繁瑣等缺點(diǎn)，不便于現(xiàn)場使用。

高鋼級(jí)螺旋管母材加工應(yīng)力高、管徑曲率大，場站氣流振動(dòng)等因素會(huì)給油氣管道的現(xiàn)場檢測帶來不利影響。針對油氣行業(yè)的特殊性，筆者開發(fā)了近零校準(zhǔn)試塊、弧面探頭、電源濾波技術(shù)，并用其對管道進(jìn)行應(yīng)力檢測，獲取管道應(yīng)力分布規(guī)律，為場站管道大變形情況提供數(shù)據(jù)積累和措施借鑒，保障場站管道的安全運(yùn)行。

1 應(yīng)力超聲檢測技術(shù)

1.1 電源濾波技術(shù)

為防止設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入電源線，同時(shí)防止電源線上的干擾進(jìn)入設(shè)備，筆者開發(fā)了電源濾波器，其是一種低通濾波器，允許直流或頻率低于50 Hz的工作電流通過，不允許頻率較高的電磁干擾電流通過。在電源線中接入電源濾波器可以起到兩個(gè)低通濾波器的作用(衰減共模干擾和衰減差模干擾)。

1.2 近零校準(zhǔn)試塊

油氣管道制管工藝復(fù)雜，鋼板軋制、開卷、焊接、切割等加工過程均會(huì)伴隨應(yīng)力的變化和傳遞。因此，高鋼級(jí)管道的原始?xì)堄鄳?yīng)力分布比較復(fù)雜。

基于聲彈性原理，超聲波可以無損地檢測出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，但每次檢測前，需通過近零校準(zhǔn)試塊進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)，因此近零校準(zhǔn)試塊對應(yīng)力超聲檢測具有重要意義。近零校準(zhǔn)試塊與絕對零應(yīng)力的接近程度是影響應(yīng)力超聲檢測精度的主要因素之一。近零校準(zhǔn)試塊通常只采用退火工藝加工，然而對于壁厚相對較大的管道鋼，特別是我國采用的大口徑X80高鋼級(jí)管道的壁厚達(dá)20 mm，即使采用嚴(yán)格的退火工藝，在冷卻階段也會(huì)由于散熱不均勻不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，難以做到零應(yīng)力的絕對零。目前暫無嚴(yán)格的工藝流程規(guī)范近零校準(zhǔn)試塊的制作，試塊制作存在從母材取樣隨意，應(yīng)力釋放程度不夠等問題。筆者經(jīng)過試驗(yàn)摸索，總結(jié)了一套嚴(yán)格的近零校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)、加工、驗(yàn)證的流程(見圖1)，該流程的主要特點(diǎn)有：① 無附加應(yīng)力取樣；② 應(yīng)力釋放方式為退火+二次線切割/振動(dòng)；③ 對每一步工序結(jié)束后試塊的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。對近零校準(zhǔn)試塊退火后進(jìn)行線切割，進(jìn)一步釋放加工殘余應(yīng)力，保障后續(xù)工程測量的基準(zhǔn)。X70，X80鋼近零校準(zhǔn)試塊加工過程的應(yīng)力釋放記錄(每個(gè)批次加工2個(gè)試塊)如表1所示(表中負(fù)號(hào)表示試塊為壓應(yīng)力狀態(tài)，正號(hào)表示試塊為拉應(yīng)力狀態(tài))。

圖1 近零校準(zhǔn)試塊加工流程

表1 X70,X80鋼近零校準(zhǔn)試塊加工過程的應(yīng)力釋放記錄 MPa

圖2 曲面耦合技術(shù)原理示意

1.3 曲面探頭技術(shù)

超聲應(yīng)力檢測法檢測曲面工件的應(yīng)力感知靈敏度較平面工件的低。實(shí)際檢測采用帶有曲率的有機(jī)玻璃楔塊仍不能消除上述現(xiàn)象。筆者進(jìn)一步進(jìn)行理論推導(dǎo)和修正，根據(jù)平面幾何關(guān)系(見圖2)，可按式(1)計(jì)算曲面管道工件的應(yīng)力檢測修正系數(shù)K，并將此修正公式用于大曲率管道探頭信號(hào)的處理。

(1)

式中:R為管道外表面曲率半徑;VGD為管道深度;vOH為耦合劑中的聲速;L為管道表面超聲入射點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離。

2 大變形管道概況

2.1 總體情況

某壓氣站管道(管道結(jié)構(gòu)見圖3)開挖后發(fā)現(xiàn)混凝土基礎(chǔ)管墩下沉，管道和彎頭自重?zé)o法得到有效支撐，使得管道懸空并下沉。管道在自重、熱脹冷縮和杠桿原理[見圖3(b)，以B01閥門支座BZ1為支點(diǎn)]的綜合作用下,F08筒產(chǎn)生了水平位移和底座上翹等復(fù)雜變形，嚴(yán)重影響了管道安全運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場目視檢測，其變形情況如下所述。

圖3 壓氣站管道結(jié)構(gòu)示意

圖4 P01管道各焊縫的軸向應(yīng)力分布

(1) F08筒變形量大。F08筒兩個(gè)底座支撐(支座1、支座2)脫離安裝基礎(chǔ)，最大水平位移為85 mm，垂向位移為28 mm。

(2) 旁通管路P01變形較小，但承受內(nèi)應(yīng)力大，其管徑小，承力能力差，F(xiàn)08筒的嚴(yán)重變形使其產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，需要檢測人員對其應(yīng)力分布進(jìn)行精確的無損檢測，以便制定加固方案，特別要測試其環(huán)焊縫的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力。

2.2 檢測概述

壓氣站嚴(yán)禁動(dòng)火作業(yè)，現(xiàn)場采用脫漆劑進(jìn)行脫漆。為精確分析變形管道的應(yīng)力變化狀態(tài)，獲取管道應(yīng)力的分布規(guī)律，使用集成近零校準(zhǔn)試塊、弧面探頭和電源濾波技術(shù)的應(yīng)力超聲檢測法對P01管道進(jìn)行應(yīng)力檢測，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，為后期類似情況提供數(shù)據(jù)積累和措施借鑒。檢測試驗(yàn)定義油氣流上游方向側(cè)焊縫為正側(cè)，下游為負(fù)側(cè)。

3 管道大變形應(yīng)力檢測及分析

3.1 軸向應(yīng)力檢測及分析

P01管道各焊縫的軸向應(yīng)力分布如圖4所示(圖中紅圈為零應(yīng)力線)，可見，在負(fù)側(cè)的5點(diǎn)鐘方向(0點(diǎn)鐘定義見圖3)，焊縫H1承受了較大的拉應(yīng)力，該應(yīng)力來自F08管道東側(cè)底座支撐的變形，為平衡此力，在焊縫H1正側(cè)的2點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘方向出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。焊縫H1負(fù)側(cè)5點(diǎn)鐘方向的拉應(yīng)力甚至在負(fù)側(cè)2點(diǎn)鐘方向引起了一定的壓應(yīng)力，筆者推測彎管WG 1-2有外撐變形的趨勢。

焊縫H2負(fù)側(cè)的0點(diǎn)鐘和1點(diǎn)鐘方向存在較大拉應(yīng)力，除此之外，焊縫H2負(fù)側(cè)整體呈壓應(yīng)力狀態(tài)。筆者判斷該處出現(xiàn)變形，該變形導(dǎo)致H2負(fù)側(cè)6點(diǎn)鐘和7點(diǎn)鐘方向的拉應(yīng)力降低。

焊縫H3負(fù)側(cè)的3點(diǎn)鐘方向存在較大的拉應(yīng)力，其遠(yuǎn)大于該位置正側(cè)的應(yīng)力，9點(diǎn)鐘方向的拉應(yīng)力較小，0，2點(diǎn)鐘方向的表面存在較大凹坑，無法測量；正側(cè)8點(diǎn)鐘方向的拉應(yīng)力較大，這與F08管道的移動(dòng)有關(guān)。

焊縫H4的正負(fù)兩側(cè)3點(diǎn)鐘方向都存在較大的拉應(yīng)力，其9點(diǎn)鐘方向正負(fù)兩側(cè)的拉應(yīng)力較小。這說明彎管WG 3-4在3點(diǎn)鐘方向存在高拉應(yīng)力區(qū)域。同時(shí)，焊縫H4的3點(diǎn)鐘方向正負(fù)兩側(cè)的拉應(yīng)力差值小于焊縫H3的3點(diǎn)鐘正負(fù)兩側(cè)拉應(yīng)力的差值。

焊縫H5的3點(diǎn)鐘方向存在較大的拉應(yīng)力區(qū)域，與焊縫H4相比較，該區(qū)域范圍更寬，數(shù)值更大。這說明彎管WG 5-6在3點(diǎn)鐘方向存在高拉應(yīng)力區(qū)域。

焊縫H6正側(cè)的3點(diǎn)鐘方向存在較大的拉應(yīng)力，負(fù)側(cè)的0點(diǎn)鐘方向存在較大的拉應(yīng)力。上述兩方向基本垂直，筆者推測發(fā)球筒管道存在逆時(shí)針的左扭變形和上翹變形，且正是這一變形在彎管WG 5-6和WG 3-4的3點(diǎn)鐘方向形成了較大的、呈一定規(guī)律變化的拉應(yīng)力區(qū)域。

3.2 切向應(yīng)力檢測及分析

P01管道各彎管的切向應(yīng)力分布如圖5所示，可見，焊縫H1兩側(cè)6，9點(diǎn)鐘方向的切向應(yīng)力相對焊縫H2兩側(cè)的較高，彎管WG 1-2的扭轉(zhuǎn)變形受到了右側(cè)管道的約束。筆者推測彎管WG 1-2有外撐變形的趨勢。

焊縫H3，H4 的0，3點(diǎn)鐘方向的切向應(yīng)力大于其他方向的切向應(yīng)力；6，9點(diǎn)鐘方向的切向應(yīng)力為壓應(yīng)力，筆者推測彎管WG 3-4發(fā)生了沿順時(shí)針方向的扭轉(zhuǎn)變形。

焊縫H5，H6的切向應(yīng)力整體呈壓應(yīng)力狀態(tài)，彎管WG 5-6僅在3點(diǎn)鐘方向存在拉應(yīng)力，說明其扭轉(zhuǎn)變形程度大于彎管WG 3-4的扭轉(zhuǎn)變形程度(壓應(yīng)力不能說明其安全，只能說明此彎管的扭轉(zhuǎn)變形更大，更應(yīng)引起注意)。

圖5 P01管道各彎管的切向應(yīng)力分布

3.3 應(yīng)力分布規(guī)律及變形分析

綜上所述，可以得出結(jié)論：① 焊縫H3，H4，H5，H6的3點(diǎn)鐘方向連續(xù)存在較高的軸向拉應(yīng)力；② 彎管WG 1-2表現(xiàn)出變形拘束趨勢，彎管WG 5-6表現(xiàn)出變形驅(qū)動(dòng)特征；③ 彎管WG 5-6，WG 3-4，WG 1-2表現(xiàn)出明顯的扭轉(zhuǎn)變形傳遞趨勢；④ F08筒存在逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)、一定的垂直上翹、一定的水平左側(cè)移動(dòng)、沿油氣流方向的收縮等4種變形。

修復(fù)建議為：在旁通管路P01的WG 1-2，WG 3-4，WG 5-6的3點(diǎn)鐘方向加入反向支撐以減小拉應(yīng)力。

生產(chǎn)現(xiàn)場嚴(yán)禁煙火，焊縫余高不允許打磨，無法檢測焊縫部位的應(yīng)力，但由環(huán)焊縫殘余應(yīng)力分布的經(jīng)典理論可知，環(huán)焊縫殘余應(yīng)力一般呈雙峰凹坑分布，焊趾處應(yīng)力最高。

4 結(jié)語

(1) 針對油氣管道行業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的近零校準(zhǔn)試塊和弧面探頭可滿足服役管道應(yīng)力狀態(tài)在役檢測的需求。

(2) 總結(jié)了油氣管道的應(yīng)力分布規(guī)律，給場站維修作業(yè)提供了借鑒。

(3) 應(yīng)力超聲檢測法可對在役管道進(jìn)行應(yīng)力檢測，是一個(gè)很好的應(yīng)力無損檢測方法。