李玉坤1 于文广1 费凡2 王鸿膺1 王龙升1 牛海仲1

1.中国石油大学（华东）； 2.中石油北京天然气管道有限公司

 

摘 要：当油气管道受到土体的推动作用产生不均匀变形就会面临着安全评价的问题：管段变形后其剩余安全裕度是多少，是否需要应力释放或更换管段。基于声弹性理论，研究了超声波法测试变形管道运行工况下的应力测量方法，自主研发油气管道在线应力超声测量专用装置，形成了一套管道运行工况下应力测量技术，并进行现场工程应用尝试。结果表明该技术是测量变形管段运行工况下应力的有效手段，为定量评价管道安全裕度和修复质量提供可靠的数据。

 

到2025年全国油气管网规模将达到24万公里[1]。在役油气管道不可避免受到地质灾害的潜在威胁，如断层错动、山体滑坡、黄土湿陷、地基沉降、泥石流、冻土、水毁等。当地质灾害引发地面发生变形时，土体会产生不可逆变形，管道进而会受到土体的推动作用发生不均匀变形，变形严重时将会被损坏[2]。

地质灾害引发管道产生变形后，现场工程师面临的问题是：发生变形的管段是否达到其安全极限，是继续使用还是释放应力或更换管段？这直接关乎企业安全运营和经济效益。目前往往只能凭借经验进行判断，缺乏科学判据。因此亟需一种测量技术，直接测量危险或者变形管段在工况下的应力数值，依据该数值对管道进行快速安全评估。笔者基于声弹性理论，研究超声波测试地质灾害变形管段在线应力的理论和方法，研发了超声测量装置，标定了常用管线钢的应力系数；并进行了现场工程应用。

1 理论基础

利用超声波测量变形管段在线应力的理论基础是声弹性理论，即超声波波速与材料应力间的线性关系[3]。 Bray首先证明了各种类型声波对应力的敏感性具有一定的差异性，其中临界折射纵波（LCR）对应力最为敏感[4,5]。 2008年，巴西R. S. Fraga [6]采用LCR波测量X70钢样品以研究温度对测量结果的影响程度。 2013年，伊朗Yashar Javadi [7]采用LCR波测量了奥氏体不锈钢管轴向焊接残余应力，测量结果与有限元计算结果有较好的一致性。国内学者徐春广教授[8]、马子奇[9]和宋文涛[10]博士等人对超声法测试管道焊缝残余应力开展了研究和现场应用。中国石油大学（华东）李玉坤团队推导了双向应力状态下纵波声弹性公式，该公式适用管道双向应力情况，为测试 管道表面真实应力状态提供了有效计算方法[11-12]。

在材料弹性范围内， LCR波测试应力基于应力与声传播时间成线性关系，纵向平面波平行于加载方向的传播速度与应力（σ ）关系见式（1）[13]：

 

V11是平行于加载方向的波传播速度； ρ0是材料没有应力下的初始密度； λ,μ 是二阶弹性模量；ι,m ,n 是三阶弹性模量； ε 是加载方向上的应变；ν 是泊松比。

对公式（1）进行推导简化，得到常用公式（2）：

 

Δσ为施加应力的改变； Δt 为试件中LCR波飞行时间的改变； K 为应力系数，由材料本身性质决定，对于特定材料是常数。

由公式（2）可知，标定应力系数K 后，通过精确测量LCR波传播的声时或声时差，就可以计算得到对应的应力值。

2 油气管道在线应力超声测量装置

自主研发了“油气管道在线应力超声测量装置”（专利号ZL 201710110210X），装置主要包括低功耗处理器、超声发射模块、超声接收模块、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块、电源管理模块和温度测量模块（图 1）。研发和改进的整个周期都考虑了油气管道应力测试的多种工况，更能适应油气管道现场测试的复杂环境。该油气管道专业性应力测试工具成功将超声波传播时间测量精度由 1ns精确至0.1 ns，管道在线应力测量误差小于20 MPa。

超声激发和接收一体换能器如图 2所示，有机玻璃楔块中有一个激发换能器和一个接收换能器，声程L 固定为35 mm。换能器和被测介质的倾斜角为28°，换能器频率为5 MHz。

                

3 常用管线钢应力系数标定

根据公式（2），在现场测试前需要标定应力系数K ，通过室内标定实验得到常用管线钢（X52、X60、 X70、 X80）的应力系数。

如图 3所示，将超声收发换能探头和试件放置于恒温箱内，达到稳定耦合状态后，测量LCR波传播时间t0。将试件固定于万能试验机上， LCR波传播方向平行于加载应力方向。试件由自由状态起始，逐步增加载荷，直到外部载荷应力达到屈服强度的70%左右。每增加完一次载荷，待载荷稳定后，测量该载荷下的LCR波传播时间。

按照公式（2）拟合出应力―声时差曲线，如图 4(a)所示， X52管线钢的应力―声时差曲线呈较为严格的线性关系，曲线的公式σ =13.813 ∆t ，则试件（X52管材）应力系数K =13.813 MPa/ns，即表示LCR波传播时间每发生1 ns的变化，代表被测介质中就有13.813 MPa的应力变化。同理得到X60，如图 4（b）、 X70、 X80应力系数。

                

图 4  常用管线钢应力―声时差曲线图

（探头编号：U1805001；标定温度：20℃）

4 工程应用实例

基于委托方测量和评价的具体需求，结合工程现场应用实践，形成了“应力初测评价―维护措施建议―修复后应力复测质量评价”测量评价方法。

4.1 冻胀管段

某天然气分输站出站口位置管线在低温下运行，导致管道周围土壤冻结，发生冻胀现象，埋地管段被抬升，与之连接的临近地面管段被带动抬升，致使管段阀体离开支座(图 5)，管道内部应力增加，安全裕度减小。利用超声测量装置对冻胀管段进行了测量和评价（表 1）。

                    

应力初测评价：经现场实地测试，测点A、 B处应力值分别为﹣280.6 MPa和﹣205.6 MPa（压应力），测点C处应力值为130.0 MPa（拉应力）。三处测点应力值偏高，但仍满足强度条件。

维护措施建议：建议开挖释放应力。

应力复测修复质量评价：开挖后检测相同测点应力，测点A、 B、 C处应力值分别为187.2 MPa、154.6 MPa和117.6 MPa，应力明显得到释放。

4.2 沉降管段

某输油处计量站作业区输油管道一处支墩有明显下沉，管道有明显位移，地面出现凹陷，南北最大高程差达16.3 cm。附近房屋墙体与地面之间开裂。初步判断作业区地基沉降，引起埋地管道发生较大变形（图 6）。图 6（b）示出5个测点位置，测量共分四个阶段进行。

第一阶段：停输工况下， 1、 2、 3号测点应力水平；

第二阶段：输油工况下，开挖埋地管道， 1、 2、3号测点应力水平；

第三阶段：输油工况下，开挖埋地管段，添加千斤顶支撑并松开部分支墩的螺栓，释放部分应力后（24小时），测量1、 2、 3号测点应力水平，另外增加4号测点；

第四阶段：输油工况下，待充分释放应力后（48小时），回填埋地管道，保留部分支撑并重新拧紧螺栓，测量1、 2、 3、 4号测点应力水平，再次增加5号测点作为补充。

表 2为所有测量点的四次应力测量结果，图 7 为1、 2、 3号测点四次测量结果变化曲线。从结果可知： 1号测点应力值始终在安全范围内，变化范围不大； 2号测点应力值变化最大，第一次测量结果明显 高于其他测点，并且已达到了屈服应力，经过应力释放后应力水平有所下降，再一次支撑释放应力，应力数值进一步减小，修复后应力有很小增加，但都满足强度要求； 3号测点应力变化规律与2号点类似，经过开挖后应力得到释放，修复后满足强度要求； 4号测点位于靠近弯头的位置，应力值较小且变化不大； 5号测点是修复后的补充测点，其应力值在安全范围内。

                    

5 结论

（1）针对地质灾害引发油气管道变形的工程问题，基于声弹性理论，开发了变形管道运行工况下应力测量技术：油气管道在线应力测量专用装置、管材室内标定设备和现场测量配套工具。

（2）自主研制的油气管道应力测量装置，应力测量误差小，测量快速、稳定，是管道运行工况下应力测量的关键设备。

（3）组建了高精度室内标定配套设备，标定管线钢的零应力LCR波传播时间和应力系数，为现场准确测量提供了基础。

（4）形成了“应力初测评价―维护措施建议―修复后应力复测质量评价”测量评价方法，在冻胀管段与沉降管段的应用实践中取得很好效果。

 

参考文献：

【1】国家发展和改革委员会. 中长期油气管网规划[Z].2017-05-19.

【2】王 永 进 , 王 皓 . 基 于 应 变 检 测 的 管 道 应 力 分析 理 论 与 方 法 [ J ] . 中 国 石 油 和 化 工 标 准 与 质量,2018,38(19):115-116.

【3】Duquennoy M,Ouaftouh M,Devos D , et al.Effective elastic constants in acoustoelasticity[J].Applied Physics Letters, 

2008, 92(24):1145-423.

【4】Leon-Salamanca T, Bray D F. Residual StressMeasurement in Steel Plates and Welds UsingCritically Refracted Longitudinal (LCR)

Waves[J].Research in Nondestructive Evaluation, 1996,7(4):169-184.

【5】Bray D E. Ultrasonic stress measurement using thecritically refracted longitudinal (LCR) ultrasonictechnique: US,

US 6424922 B1 [P]. 2002.

【6】Fraga R S, Santos A A, Andrino M H. Temperature Effect on the Measurement of Stresses in PipelinesUsing Ultrasonic

LCR Waves [C]. 

ASME 2008International Mechanical Engineering Congress andExposition. 2008:361-367.

【7】Javadi Y, Pirzaman H S, Raeisi M H, et al. Ultrasonicinspection of a welded stainless steel pipe to evaluateresidual

stresses through thickness [J]. Materials &Design, 2013, 49:591-601.

【8】徐春广, 宋文涛, 潘勤学,等. 残余应力的超声检测方法[J]. 无损检测, 2014, 36(7):25-31.

【9】马子奇. 基于临界折射纵波声弹效应的平面应力测量理论和方法[D]. 哈尔滨工业大学, 2014.

【10】宋文涛. 残余应力超声无损检测与调控技术研究[D]. 北京理工大学, 2016.

【11】Yukun Li, Wenguang Yu, Li Liu, et al . A NovelMethod for Evaluating Biaxial Stresses by UltrasonicCritical Refracted

Longitudinal Waves[J]. Journal ofTesting and Evaluation, 2018.

【12】Yukun Li, Wenguang Yu, Xiusong Huang, et al. TheLaw of Response of LCR Wave in the Plastic andElastic Deformation in

A36 Steel[J]. Russian Journalof Nondestructive Testing, 2018, 54(4):260–270.

【13】Egle D M, Bray D E. Measurement of acoustoelasticand third‐order elastic constants for rail steel[J].Journal of the

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基金项目：中国石油科技创新基金项目（2017D-5007-0605）。

作者：李玉坤，男， 1973年11月生，副教授， 2007年博士毕业于中国石油大学（华东）油气田开发专业，现主要从事管道与储罐结构强度和安全专业方向的研究工作。