油氣管道焊接殘余應力超聲無損檢測與原位調控技術

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力超聲無損檢測與原位調控技術

徐春廣1*，王俊峰1，宋劍峰1，田海兵1，藺廉普2，饒 心3

1 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081

2 北京理工大學自動化學院，北京 100081

3 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 830000

基于聲彈性理論，本文研究了油氣管道中超聲波與應力的關系，分析了超聲臨界折射縱波產生的原理、方法和技術。為了確保檢測值的準確性和可溯源，進一步研究了超聲波殘余應力檢測的校準技術，建立了超聲應力檢測與校準系統；研究了高能超聲與殘余應力場的相互作用關系，通過有效控制高能聲束和聲激勵模式改變構件表面和內部殘余應力場狀態，實現了對在役機械構件局部殘余應力分布的原位消減和控制，提高了服役機械構件整體強度、抗疲勞和耐腐蝕能力，增強了構件使用壽命、安全性和可靠性，并在油氣管道焊接殘余應力的檢測和調控中得到了應用。

殘余應力；超聲波；無損檢測；原位調控

0 引言

殘余應力是一種固有應力，是當構件沒有外部因素作用時，在構件內部保持平衡而存在的應力。機械加工過程中，如焊接、切削、磨削、表面滾壓、噴丸、擠壓、拉拔和軋制等，不可避免地都會產生殘余應力。

油氣管道長期處于輸送介質脈動載荷的工作狀態，殘余應力集中的現象普遍，長年使用管道易進入誘發腐蝕、導致裂紋、出現泄漏等缺陷頻發的老齡期[1]。目前，由于服役管道老化，缺乏有效的無損檢測技術和準則，管道運行安全形勢嚴峻，需研究適合服役管道安全狀態無損檢測方法，以及時檢測出服役管道殘余應力集中區域并進行調控，恢復管道的健康狀態，確保管道服役安全。本文針對以上情況，研究了油氣管道焊接殘余應力超聲無損檢測與原位調控技術。

殘余應力的檢測技術始于20世紀30年代，發展至今共形成了數十種檢測方法。將這些方法按照其對被測構件損傷與否分為有損傷、半損傷和無損傷3大類。有損傷的方法有切片法、輪廓法等，半損傷的方法有盲孔法、環芯法、深孔法等，有損法和半損法都屬于應力釋放的范疇；無損的方法[2-4]有X射線衍射法、中子衍射法、磁性測定法、掃描電子聲顯微鏡法和超聲波法等。2012年，意大利Rossini教授對比分析各種檢測方法后認為，超聲波法[5]具有高分辨率、高滲透力和對人體無傷害的特點，是殘余應力無損檢測發展方向上最有前途的技術之一。

對在役油氣管道殘余應力控制方面，不論是傳統的自然時效法，錘擊法，熱時效法，還是目前的頻譜諧波、電擊法、磁脈沖法等都有其局限性，都無法實現對油氣管道焊接殘余應力的現場原位調控或消減。盡管超聲沖擊消除殘余應力技術[6-7]是最近幾年發展起來的熱門技術，其用微型高強度金屬變幅桿沖頭沖擊金屬表面，來提高表面壓縮殘余應力，頻率越來越高，可以達到超聲的振動頻率，但是這種技術在金屬表面產生壓縮殘余應力的同時，機械構件表面由于受到變幅桿沖擊影響，必將帶來沖擊損傷甚至是裂縫或微小裂紋，這些損傷同樣會導致管道表面產生非包容性破壞，影響到管道的安全性和可靠性。

本文基于聲彈性理論，研究了超聲波與應力的關系，探討了超聲波殘余應力檢測的校準技術，將超聲應力檢測與校準系統應用到管道焊接殘余應力的分布檢測中，取得了良好的應用效果；同時，采用了一種殘余應力的高能超聲消減技術，將機械構件置于高能聲場中，利用外加高功率聲能改變管道表面和內部殘余應力狀態，實施對殘余應力狀態的局部定量消減。

1 超聲檢測理論

1.1 聲彈性理論

聲彈性理論基于有限變形連續介質力學，從宏觀現象角度來研究彈性固體應力狀態與彈性波波速之間的關系。理論研究表明：彈性波在有應力的固體材料中的傳播速度不僅取決于材料的二階彈性常數、高階彈性常數和密度，還與殘余應力有關，表現為聲彈性效應。壓縮或拉伸殘余應力將影響超聲波傳播速度。

初始坐標系下的應力介質中彈性波波動方程(聲彈性方程)[8]：

式中，IKδ為Kronecker delta函數；iρ代表固體受力狀態下的密度；Iu是動態位移；JX表示質點的位置矢量；IJKLC取決于材料常數和初始位移場，稱為等效剛度，為初始坐標描述的固體受力狀態下柯西應力。

由方程(1)看出，聲彈性方程非常復雜且為非線性的，可將其簡化為線性公式。假設超聲波為平面波，在初始坐標下可以表示為[9]：

式中，k為波數，k=2π/波長；N為平面波的單位法線方向，即傳播方向的方向余弦；U為振幅；V為波速；t為時間。

對均勻變形的情況，初始坐標的聲彈性方程(1)可以簡化為：

將式(2)代入式(3)中，可得：

其特征方程為：

式中，聲張量為：

當固體為各向同性時，方程(4)可以解析地表達出來，具體推導詳見文獻[10]。由此，可在笛卡爾坐標系下，建立固體中超聲波的傳播速度與應力的方程如下[11]：

沿應力方向傳播的縱波，如圖1

式中，λ和μ表示固體的二階彈性常數，,lm表示三階彈性常數，0ρ表示固體發生變形前的密度，σ代表施加的單向應力(拉應力為正，壓應力為負)。

1.2 臨界折射縱波法

根據Snell 定律，當縱波從波速較慢的介質傳播到波速較快的介質中時，若折射角達到90°， 則形成的縱波即為臨界折射縱波(LCR)[11]，而入射角稱為第一臨界角。以從有機玻璃透聲楔入射到平面鋼板為例，第一臨界角的計算公式為：

式中，1V為透聲楔塊中的縱波波速；2V為鋼中的縱波波速。

對于曲面構件，第一臨界角CRLθ有：

式中，L為傳播聲程，R為曲面構件的曲率半徑。對于凸曲面取+，凹曲面取-。

通常鋼的聲速為2 900 m/s ，則第一臨界角為27°。

圖1 沿應力方向傳播的縱波 (波速有3個下標。如ABCV表示，第1個下標表示波的傳播方向，第2個下標表示質點的偏振方向，第3個下標表示單軸應力作用的方向)Fig. 1 The longitudinal wave propagates along the stress direction

2 殘余應力調控理論

根據理論分析，殘余應力的本質是晶格彈性畸變，而晶格彈性畸變很大程度上是由晶格之間的約束力引起的，在實驗現象的基礎上，從殘余應力存在和產生的本質出發，采用位錯點陣模型，分析位錯周圍的約束力場與彈性波動之間的相互作用，給出高能超聲對殘余應力的調控理論模型。

高能超聲提供的離功率超聲源距離為x的質元所獲得的能量為[12]：

式中，質元體積為0V，起始聲壓為0P，密度為0ρ，超聲波聲速為c，聲壓振幅為A，C為常數，f為超聲頻率，F為各項異性因子，d為質元晶粒直徑，K為熱傳導系數，vc定容比熱，pc定壓比熱。

由方程(10)可知，高能超聲提供金屬內部質元的能量與金屬材料本身的密度0ρ、材料的定容比熱vc，定壓比熱pc等固有屬性成正比，與超聲在其內部傳播的速度c成反比；同時，與超聲本身提供的聲壓振幅A和頻率f的平方成正比。

當超聲波提供給金屬內部質元的能量大于晶格之間的約束力的勢能時，金屬內部的殘余應力將得以釋放。這從理論上初步證明了利用高能量超聲波是可以控制殘余應力的，控制的效率和效果與材料特性(彈性模量、屈服強度、密度和聲阻抗等)、激勵頻率、耦合方式以及控制的局部位置等因素有關。

3 系統構建

3.1 檢測系統

殘余應力超聲檢測系統根據聲彈性原理研制而成，其原理如圖2所示。系統使用超聲臨界折射縱波，可檢測工件表面以下1.5 mm深度(與換能器的頻率有關)，實現對殘余應力快速無損檢測，準確判斷和評估出殘余應力的大小及拉壓狀態。其主要的技術參數如表1所示。

圖2 殘余應力超聲檢測系統原理框圖Fig. 2 Principle diagram of the residual stress ultrasonic testing system

表1 檢測系統主要技術參數Table 1 The main technical parameters of the testing system

圖3 系統校準流程圖Fig. 3 Flow diagram of the system calibration

圖4 拉伸試驗應力校準曲線圖Fig. 4 Stress calibration curve graph of tensile tests

3.2 校準方法

校準法的流程圖如圖3所示。圖4是對2A14鋁合金進行應力校準時的聲時—應力曲線圖，從圖中看出，校準后的曲線更接近實際加載的應力曲線，該校準方法同樣適用于鋼等金屬材料。

3.3 調控系統

殘余應力調控系統包括高能超聲發生器、高能超聲換能器，以及外圍設備(包括換能器真空夾持裝置、激勵電壓傳輸線纜、耦合劑等)，其系統組成框圖如圖5所示，其技術指標如表2所示。

圖5 殘余應力高能超聲調控系統組成框圖Fig. 5 Diagram of the residual stress high energy ultrasonic regulation system

表2 調控系統主要技術參數Table 2 The main technical parameters of regulation system

4 實驗與分析

在西氣東輸過程中，為提高輸油速度及輸油量，輸油過程中須在管道內部進行打壓。管道包括直焊縫與環焊縫，管道在打壓輸油的過程中，因焊縫殘余應力的影響，焊縫附近很容易因應力過大而出現裂紋，對輸油管線造成無法估計的損失。

(1)西氣東輸某段管道焊縫殘余應力檢測

管道殘余應力檢測過程中，軸向位置是以距環焊縫(兩相鄰管道之間的焊縫)的距離進行定位，如圖6所示，管道焊縫殘余應力檢測實物圖如圖7所示。

圖6 管道焊縫殘余應力檢測示意圖Fig. 6 Schematic diagram of testing positions for pipe welding residual stress

圖7 現場測試實物圖Fig. 7 Test arrangement

以距環焊縫4 700 mm處為第一測試點，其他測試點為在此位置基礎上依次遞增40 mm，將傳感器裝置置于直焊縫附近的上述測試點上，測量得到的焊縫殘余應力分布如圖8所示。

通過圖8發現，兩次測量數據基本變化不大，且變化趨勢一致，說明系統的重復性較好，在距環焊縫4 860 mm位置處應力突變較為明顯，此處可能為拉應力集中位置。數據整體偏高的原因是測得的是相對應力值，零應力參考點選取不準確，將壓應力默認為零應力。

圖8 焊縫殘余應力分布Fig. 8 Welding residual stress distribution

(2)某作業區管道焊縫殘余應力檢測

對西氣東輸某加氣站油氣管道(材料L360，屈服強度360 MPa，抗拉強度460 MPa)的一處焊縫裂紋處進行了殘余應力檢測。管道(直徑356 mm，厚度15 mm)有2條2 mm深的裂紋，如圖9所示。殘余應力檢測前，裂紋已經進行了打磨處理。檢測方向均為垂直于焊縫。通過超聲應力檢測，可得管道裂紋附近的應力分布曲線如圖10所示。

圖9 管道裂紋附近檢測位置圖Fig. 9 Testing position diagram near the pipeline cracks

圖10 管道裂紋附近九個區域殘余應力分布圖Fig. 10 Pipe residual stress distribution diagram near the pipeline crack

從管道兩處2 mm深裂紋附近9個區域的應力分布圖可見，其第2個區域(見紅色圈)拉應力偏大(218 MPa)，需要對其長期監測，其它區域應力較為正常。

圖11 打壓管道應力原位檢測現場Fig. 11 Testing physical picture of pipeline stress in situ feld

表3 監測點具體信息Table 3 Information of monitoring positions

圖12 連續打壓監測的應力走勢圖Fig.12 Monitoring stress graph in continuous bulge test

(3)打壓管道應力原位監測實驗

利用5臺檢測儀分5路探頭，分別監測管道殘余應力較大點處的4個周向和1個軸向應力變化，現場如圖11所示，考慮到安全因素，管道未被打爆，最大壓強達到14 MPa。監測點具體位置信息如表3，檢測前，對初始應力值做歸零處理，連續打壓監測的應力走勢如圖12所示。

從監測數據曲線看出：①周向區域的應力值隨水壓升高的變化大，軸向的應力約周向的一半，這與理論分析吻合；②周向的檢測點(1、2、3和4號機)在12 MPa水壓后都發生應力不再線性增大的現象，可能出現塑性變形；③2號機監測的位置原始殘余應力值最大，因此最先達到屈服狀態；④4號機監測點在水壓14 MPa時仍未屈服，說明該點仍然安全，因此可以初步認為管道焊接殘余應力的閾值應≤140 MPa。

(4)油氣管道焊接部位殘余應力消減實驗

使用殘余應力高能超聲調控儀對管道焊縫附近應力值過高的區域做高能超聲調控作業，調控30分鐘，調控現場如圖13所示。

圖13 管道焊接殘余應力調控現場Fig. 13 Regulation site picture of pipeline welding residual stress

分別對3處應力較大的區域進行高能超聲調控，對比調控前后3處位置的殘余應力值，如圖14所示。從圖中數據可知，調控前后3處應力都有所下降，由此可知，高能超聲調控設備可以無損的消減油氣管道的表面和內部殘余應力。

圖14 實驗效果圖Fig. 14 Experimental results

(5)斜入射管道焊接部位殘余應力消減實驗

在X70管道上選取77個點位為應力檢測點，77個待測點間隔30 mm均勻分布，如圖15所示。選焊縫應力集中區域作為關鍵點調控，使用殘余應力高能超聲調控儀進行應力調控50分鐘，如圖16所示。對比調控前后的應力變化情況，如圖17所示。

圖15 管道應力檢測位置圖Fig. 15 Diagram of testing stress position of pipeline

圖16 應力調控現場圖Fig. 16 Stress regulation site

5 結論

(1)基于聲彈性理論，得到了應力與聲速之間的線性關系。根據Snell定律，超聲波在入射到被檢測材料中時折射形成的臨界折射縱波(LCR波)可用于檢測構件一定深度內平行于LCR波傳播方向的應力狀態。

圖17 調控前后應力對比圖Fig. 17 Comparison diagram of stress changed before and after the regulation

(2)研究了利用拉伸試驗機對超聲應力檢測的校準方法，通過校準，使得系統的實際精度達到±10 MPa以內。

(3)將油氣管道焊接構件置于高能聲場中，利用外加高功率聲能改變焊接件表面和內部殘余應力場狀態，較好地實現了對油氣管道焊接殘余應力狀態的原位局部定量調控。

(4)通過實驗應用與結果分析表明：殘余應力檢測與原位調控技術具有較好的準確性、實用性以及應用領域的廣泛性，能夠很好的解決管道焊接殘余應力檢測和消除問題，確保服役管道安全運行。

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Ultrasonic nondestructive testing and in situ regulation technology of residual stress for oil and gas pipelines

XU Chunguang1, WANG Junfeng1, SONG Jianfeng1, TIAN Haibing1, LIN Lianpo2, RAO Xin3
1 School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081,China
2 Department of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3 Petro-China West Pipeline Company, Urumqi 83000, China

Based on acoustoelasticity theory, the relationship between ultrasonics and stress in oil and gas pipelines is researched. Further, the principle, method and technology of ultrasonic critically refracted longitudinal waves are analyzed. In order to ensure accuracy of test results and realization of quantity traceability, the calibration technology of ultrasonic testing for residual stress is studied. Then the ultrasonic stress testing and calibration system is established. For in situ regulation of residual stress, the interactive relationship between high energy ultrasonics and the residual stress feld is studied. It is seen that the surface and internal component residual stress states are changed by effective control of the high energy beam and excitation mode. Finally, the in situ reduction and control of local residual stress distribution in mechanical components in service is realized. Thus, the whole strength, anti-fatigue and corrosion resistance of mechanical components in service are improved, and the service life, safety and reliability of components are also enhanced. This technology now is used in testing and regulation of oil and gas pipeline welding residual stress.

residual stress; ultrasonic; nondestructive testing; in situ regulation

2016-10-18

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.040

(編輯 付娟娟)

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力超聲無損檢測與原位調控技術. 石油科學通報, 2016, 03: 442-449

XU Chunguang, WANG Junfeng, SONG Jianfeng, TIAN Haibing, LIN Lianpo, RAO Xin. Ultrasonic nondestructive testing and in situ regulation technology of residual stress for oil and gas pipelines. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 442-449. doi: 10.3969/ j.issn.2096-1693.2016.03.040

*通信作者, xucgbit@263. net