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(qū)域在我國分布廣泛，壓力管道受泥石流等自然災(zāi)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(yīng)力檢測技術(shù)應(yīng)用到壓力管道環(huán)焊縫應(yīng)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(zāi)害影響壓力管道缺陷特征，利用超聲應(yīng)力檢測對受影響管道進行了當前應(yīng)力檢測，分析了管道當前應(yīng)力狀態(tài)，提出了整改方案，取得較好效果。

關(guān)鍵詞：超聲應(yīng)力檢測；管道撓曲

隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展，壓力管道總里程逐年增長，被廣泛應(yīng)用于化工、石油、制藥、能源、航空、環(huán)保、鋼鐵、公用工程等領(lǐng)域。

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

壓力管道的鋪設(shè)地區(qū)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(zāi)害影響概率大[1]。泥石流是一種強突發(fā)性災(zāi)害，泥石流發(fā)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(fā)生位移、變形，對管道應(yīng)力分布狀態(tài)產(chǎn)生影響，可能在管道局部加大應(yīng)力集中，嚴重影響管道服役壽命。

一、超聲應(yīng)力檢測技術(shù)

應(yīng)力（載荷應(yīng)力）檢測的相關(guān)研究，源于20世紀30年代，目前已經(jīng)發(fā)展出數(shù)十種檢測方法。常見的應(yīng)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(huán)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(yīng)用最廣泛的應(yīng)力無損方法之一。

1、聲彈性理論

超聲應(yīng)力檢測的理論基礎(chǔ)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(shù)和材料密度，還與材料高階彈性常數(shù)和應(yīng)力有關(guān)[2]。當被檢工件中應(yīng)力方向與超聲波縱波方向一致時，拉伸應(yīng)力使超聲縱波在被檢工件中的傳播速度變慢，壓縮應(yīng)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(yīng)力試塊（應(yīng)力值?₀）對應(yīng)的超聲傳播時間（t₀）和被檢工件（應(yīng)力值?）對應(yīng)的超聲傳播時間（t），根據(jù)時間差求出被檢工件中的應(yīng)力絕對值[3]。即

?-?₀=K（t-t₀）

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

2、超聲應(yīng)力檢測系統(tǒng)構(gòu)成

超聲應(yīng)力無損檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字控制模塊及通信數(shù)據(jù)模塊等）、應(yīng)力檢測探頭（含超聲收/發(fā)換能器和定制聲楔塊）、環(huán)境溫度采集模塊（含熱電阻、熱電阻信號調(diào)理器、溫度采集卡等）、外圍設(shè)備（含自動檢測行走機構(gòu)、應(yīng)力檢測探頭夾持裝置、超聲型號傳輸線、耦合劑）、軟件系統(tǒng)、設(shè)備標定和校準系統(tǒng)（含應(yīng)力系數(shù)、基準零應(yīng)力試塊等）、便攜工控機[4]。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

二、受泥石流影響壓力管道超聲應(yīng)力檢測案例

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

1、受泥石流影響壓力管道主要缺陷

現(xiàn)場宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，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(shè)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(tài)，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(yīng)力。測量管道現(xiàn)有應(yīng)力數(shù)值，掌握管道應(yīng)力水平并對應(yīng)力較高位置進行治理成為此次管道安全評估的關(guān)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(fā)現(xiàn)一處 120×90×2mm 的凹陷（圖4）。經(jīng)現(xiàn)場評估凹陷深度未超過管道外徑的 6%，根據(jù)《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(shè)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(xiàn)場發(fā)現(xiàn)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(yīng)力檢測

本次檢測現(xiàn)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(yīng)力檢測，檢測部位距離對接焊縫兩側(cè) 0.5 米處。測點分布如圖6所示，現(xiàn)場檢測過程按照GB/T 32073-2015《無損檢測殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法》，使用L450M 基準零應(yīng)力試塊進行了應(yīng)力校準，儀器設(shè)備主要參數(shù)如表2所示[5]。

（1）工況1：管道原始狀態(tài)，無人為附加支撐

本次檢測管道當前應(yīng)力均為軸向應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)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(jīng)現(xiàn)場檢測近支撐點位置管道應(yīng)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(yīng)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(yīng)力較大位置應(yīng)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(jié)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(yīng)力水平，在后期恢復回填工程中，應(yīng)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(jié)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(yīng)力檢測對受影響管道進行當前應(yīng)力檢測，能夠快速定位管線應(yīng)力較大位置，對管線后期恢復治理提供數(shù)據(jù)支撐。檢測結(jié)果表明：超聲應(yīng)力檢測技術(shù)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(yīng)力檢測問題，確保服役管道安全穩(wěn)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(yīng)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(yīng)力超聲無損檢測與原位調(diào)控技術(shù)[J].石油科學通報，2016，1（03）：442-449.

[3]GB/T 32073-2015， 無損檢測 殘余應(yīng)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(yīng)力檢測技術(shù)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(yīng)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(wǎng)有限責任公司

林凱明、 雷勇利：廣東省特種設(shè)備檢測研究院中山檢測院