李玉坤1 于文廣1 費(fèi)凡2 王鴻膺1 王龍升1 牛海仲1

1.中國(guó)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(dāng)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)面臨著安全評(píng)價(jià)的問題：管段變形后其剩余安全裕度是多少，是否需要應(yīng)力釋放或更換管段�；�于聲彈性理論，研究了超聲波法測(cè)試變形管道運(yùn)行工況下的應(yīng)力測(cè)量方法，自主研發(fā)油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量專用裝置，形成了一套管道運(yùn)行工況下應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用嘗試。結(jié)果表明該技術(shù)是測(cè)量變形管段運(yùn)行工況下應(yīng)力的有效手段，為定量評(píng)價(jià)管道安全裕度和修復(fù)質(zhì)量提供可靠的數(shù)據(jù)。

 

到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬(wàn)公里[1]。在役油氣管道不可避免受到地質(zhì)災(zāi)害的潛在威脅，如斷層錯(cuò)動(dòng)、山體滑坡、黃土濕陷、地基沉降、泥石流、凍土、水毀等。當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)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(yán)重時(shí)將會(huì)被損壞[2]。

地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)管道產(chǎn)生變形后，現(xiàn)場(chǎng)工程師面臨的問題是：發(fā)生變形的管段是否達(dá)到其安全極限，是繼續(xù)使用還是釋放應(yīng)力或更換管段？這直接關(guān)乎企業(yè)安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)效益。目前往往只能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏科學(xué)判據(jù)。因此亟需一種測(cè)量技術(shù)，直接測(cè)量危險(xiǎn)或者變形管段在工況下的應(yīng)力數(shù)值，依據(jù)該數(shù)值對(duì)管道進(jìn)行快速安全評(píng)估。筆者基于聲彈性理論，研究超聲波測(cè)試地質(zhì)災(zāi)害變形管段在線應(yīng)力的理論和方法，研發(fā)了超聲測(cè)量裝置，標(biāo)定了常用管線鋼的應(yīng)力系數(shù)；并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用。

1 理論基礎(chǔ)

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

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

 

V11是平行于加載方向的波傳播速度； ρ0是材料沒有應(yīng)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(yīng)變；ν 是泊松比。

對(duì)公式（1）進(jìn)行推導(dǎo)簡(jiǎn)化，得到常用公式（2）：

 

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

由公式（2）可知，標(biāo)定應(yīng)力系數(shù)K 后，通過精確測(cè)量LCR波傳播的聲時(shí)或聲時(shí)差，就可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

2 油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量裝置

自主研發(fā)了“油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量裝置”（專利號(hào)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(cè)量電路模塊、液晶顯示及交互模塊、電源管理模塊和溫度測(cè)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(yīng)力測(cè)試的多種工況，更能適應(yīng)油氣管道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的復(fù)雜環(huán)境。該油氣管道專業(yè)性應(yīng)力測(cè)試工具成功將超聲波傳播時(shí)間測(cè)量精度由 1ns精確至0.1 ns，管道在線應(yīng)力測(cè)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(jī)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(cè)介質(zhì)的傾斜角為28°，換能器頻率為5 MHz。

                

3 常用管線鋼應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

根據(jù)公式（2），在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前需要標(biāo)定應(yīng)力系數(shù)K ，通過室內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到常用管線鋼（X52、X60、 X70、 X80）的應(yīng)力系數(shù)。

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(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定耦合狀態(tài)后，測(cè)量LCR波傳播時(shí)間t0。將試件固定于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上， LCR波傳播方向平行于加載應(yīng)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(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的70%左右。每增加完一次載荷，待載荷穩(wěn)定后，測(cè)量該載荷下的LCR波傳播時(shí)間。

按照公式（2）擬合出應(yīng)力―聲時(shí)差曲線，如圖 4(a)所示， X52管線鋼的應(yīng)力―聲時(shí)差曲線呈較為嚴(yán)格的線性關(guān)系，曲線的公式σ =13.813 ∆t ，則試件（X52管材）應(yīng)力系數(shù)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(cè)介質(zhì)中就有13.813 MPa的應(yīng)力變化。同理得到X60，如圖 4（b）、 X70、 X80應(yīng)力系數(shù)。

                

圖 4  常用管線鋼應(yīng)力―聲時(shí)差曲線圖

（探頭編號(hào)：U1805001；標(biāo)定溫度：20℃）

4 工程應(yīng)用實(shí)例

基于委托方測(cè)量和評(píng)價(jià)的具體需求，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，形成了“應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)―維護(hù)措施建議―修復(fù)后應(yīng)力復(fù)測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)”測(cè)量評(píng)價(jià)方法。

4.1 凍脹管段

某天然氣分輸站出站口位置管線在低溫下運(yùn)行，導(dǎo)致管道周圍土壤凍結(jié)，發(fā)生凍脹現(xiàn)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，致使管段閥體離開支座(圖 5)，管道內(nèi)部應(yīng)力增加，安全裕度減小。利用超聲測(cè)量裝置對(duì)凍脹管段進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)價(jià)（表 1）。

                    

應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試，測(cè)點(diǎn)A、 B處應(yīng)力值分別為﹣280.6 MPa和﹣205.6 MPa（壓應(yīng)力），測(cè)點(diǎn)C處應(yīng)力值為130.0 MPa（拉應(yīng)力）。三處測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值偏高，但仍滿足強(qiáng)度條件。

維護(hù)措施建議：建議開挖釋放應(yīng)力。

應(yīng)力復(fù)測(cè)修復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)：開挖后檢測(cè)相同測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)A、 B、 C處應(yīng)力值分別為187.2 MPa、154.6 MPa和117.6 MPa，應(yīng)力明顯得到釋放。

4.2 沉降管段

某輸油處計(jì)量站作業(yè)區(qū)輸油管道一處支墩有明顯下沉，管道有明顯位移，地面出現(xiàn)凹陷，南北最大高程差達(dá)16.3 cm。附近房屋墻體與地面之間開裂。初步判斷作業(yè)區(qū)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(cè)點(diǎn)位置，測(cè)量共分四個(gè)階段進(jìn)行。

第一階段：停輸工況下， 1、 2、 3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平；

第二階段：輸油工況下，開挖埋地管道， 1、 2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平；

第三階段：輸油工況下，開挖埋地管段，添加千斤頂支撐并松開部分支墩的螺栓，釋放部分應(yīng)力后（24小時(shí)），測(cè)量1、 2、 3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平，另外增加4號(hào)測(cè)點(diǎn)；

第四階段：輸油工況下，待充分釋放應(yīng)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(cè)量1、 2、 3、 4號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平，再次增加5號(hào)測(cè)點(diǎn)作為補(bǔ)充。

表 2為所有測(cè)量點(diǎn)的四次應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，圖 7 為1、 2、 3號(hào)測(cè)點(diǎn)四次測(cè)量結(jié)果變化曲線。從結(jié)果可知： 1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值始終在安全范圍內(nèi)，變化范圍不大； 2號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值變化最大，第一次測(cè)量結(jié)果明顯 高于其他測(cè)點(diǎn)，并且已達(dá)到了屈服應(yīng)力，經(jīng)過應(yīng)力釋放后應(yīng)力水平有所下降，再一次支撐釋放應(yīng)力，應(yīng)力數(shù)值進(jìn)一步減小，修復(fù)后應(yīng)力有很小增加，但都滿足強(qiáng)度要求； 3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律與2號(hào)點(diǎn)類似，經(jīng)過開挖后應(yīng)力得到釋放，修復(fù)后滿足強(qiáng)度要求； 4號(hào)測(cè)點(diǎn)位于靠近彎頭的位置，應(yīng)力值較小且變化不大； 5號(hào)測(cè)點(diǎn)是修復(fù)后的補(bǔ)充測(cè)點(diǎn)，其應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)。

                    

5 結(jié)論

（1）針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)油氣管道變形的工程問題，基于聲彈性理論，開發(fā)了變形管道運(yùn)行工況下應(yīng)力測(cè)量技術(shù)：油氣管道在線應(yīng)力測(cè)量專用裝置、管材室內(nèi)標(biāo)定設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量配套工具。

（2）自主研制的油氣管道應(yīng)力測(cè)量裝置，應(yīng)力測(cè)量誤差小，測(cè)量快速、穩(wěn)定，是管道運(yùn)行工況下應(yīng)力測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。

（3）組建了高精度室內(nèi)標(biāo)定配套設(shè)備，標(biāo)定管線鋼的零應(yīng)力LCR波傳播時(shí)間和應(yīng)力系數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量提供了基礎(chǔ)。

（4）形成了“應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)―維護(hù)措施建議―修復(fù)后應(yīng)力復(fù)測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)”測(cè)量評(píng)價(jià)方法，在凍脹管段與沉降管段的應(yīng)用實(shí)踐中取得很好效果。

 

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基金項(xiàng)目：中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)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(guó)石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道與儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全專業(yè)方向的研究工作。