水下超聲應(yīng)力檢測(cè)影響因素試驗(yàn)研究

張充霖 周士剛 戚文陽(yáng)

中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司 天津 300452

1 概述

海洋石油結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役在海洋環(huán)境中，受風(fēng)力、波浪力、冰雪、海水腐蝕、地震等外部載荷的影響。可能導(dǎo)致海洋石油結(jié)構(gòu)設(shè)施產(chǎn)生應(yīng)力集中或局部變形，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)突發(fā)性失效等災(zāi)難性的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，因此開(kāi)展海洋石油結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)對(duì)于保障油氣生產(chǎn)安全至關(guān)重要。超聲波應(yīng)力檢測(cè)法具有高分辨率、高滲透力、高檢測(cè)效率、適用范圍廣、對(duì)人體無(wú)害等特點(diǎn)，是當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)無(wú)損應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)中最為有效方法之一。但超聲法也有一定的局限性，如溫差、耦合狀態(tài)、粗糙度等因素影響檢測(cè)精度。此外對(duì)于水下結(jié)構(gòu)，檢測(cè)精度還可能受長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)衰減、水壓影響，目前研究較少。本文針對(duì)海洋石油工程結(jié)構(gòu)水下超聲應(yīng)力檢測(cè)中可能影響檢測(cè)精度的三類(lèi)因素開(kāi)展試驗(yàn)研究，并根據(jù)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析及應(yīng)力偏離補(bǔ)償方法，旨在優(yōu)化檢測(cè)工藝、提高檢測(cè)精度。

2 超聲臨界折射縱波應(yīng)力檢測(cè)原理

海洋石油工程結(jié)構(gòu)水下超聲應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)源于聲彈性理論中的超聲臨界折射縱波（LCR波）法檢測(cè)。大量研究表明，LCR波是一種在材料近表面?zhèn)鞑デ移叫杏诓牧媳砻娴目v波，其對(duì)應(yīng)力的敏感度相比其他形態(tài)超聲波更高[1]。當(dāng)發(fā)射換能器發(fā)射超聲縱波以第一臨界角斜入射到入射到被檢材料表面時(shí)，依據(jù) Snell 定律，可在被檢材料內(nèi)部產(chǎn)生LCR波，當(dāng)材料處于線彈性范圍內(nèi)，材料中的應(yīng)力與聲傳播時(shí)間呈線性關(guān)系，因此，在發(fā)射和接收換能器距離保持不變的條件下，測(cè)得零應(yīng)力對(duì)應(yīng)的超聲波傳播時(shí)間和被檢工件對(duì)應(yīng)的超聲波傳播時(shí)間，即可求出被檢工件中的應(yīng)力絕對(duì)值。檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 超聲臨界折射縱波應(yīng)力檢測(cè)原理

3 水下超聲應(yīng)力檢測(cè)影響因素

對(duì)于海洋石油工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，以渤海油田導(dǎo)管架平臺(tái)為例，水下關(guān)鍵承載構(gòu)件如腿柱底部、基底橫撐等的工作水深至少在10米，部分海域甚至超過(guò)30米，因此具體實(shí)施檢測(cè)時(shí)，將涉及超聲信號(hào)傳輸衰減、水壓與水溫對(duì)聲時(shí)傳播影響。因此本文將針對(duì)以下3個(gè)影響因素分別開(kāi)展試驗(yàn)研究：

（1）超聲信號(hào)線纜長(zhǎng)度變化對(duì)傳輸信號(hào)強(qiáng)度的影響；

（2）水壓變化對(duì)超聲檢測(cè)傳播聲時(shí)的影響；

（3）溫度變化對(duì)超聲檢測(cè)傳播聲時(shí)的影響。

4 試驗(yàn)案例

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)的檢測(cè)設(shè)備選用HS1010超聲殘余應(yīng)力檢測(cè)儀，檢測(cè)精度為1ns；檢測(cè)探頭選用ZKCXPR-45X應(yīng)力檢測(cè)探頭，第一臨界角為23°，為增強(qiáng)耦合，在探頭中部安裝吸附強(qiáng)磁鐵。試驗(yàn)工件選用牌號(hào)為DH36的船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼，工件規(guī)格為300mm×60mm×15mm。試驗(yàn)地點(diǎn)選定渤海遼東灣海域某采油平臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)間選擇冬季。試驗(yàn)時(shí)，將檢測(cè)探頭吸附在試驗(yàn)工件中央位置。檢測(cè)設(shè)備、探頭及工件如圖2、圖3所示。

圖2 應(yīng)力檢測(cè)儀

圖3 應(yīng)力檢測(cè)探頭及工件

4.2 傳輸信號(hào)衰減對(duì)比試驗(yàn)

本部分試驗(yàn)由潛水員攜帶檢測(cè)工件潛水至平臺(tái)周?chē)?米位置，測(cè)得水溫為5℃。所選用的線纜長(zhǎng)度分別為5米、30米、50米、60米、100米共5種。得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 不同長(zhǎng)度線纜的傳輸信號(hào)對(duì)比表

4.3 水壓影響聲時(shí)對(duì)比試驗(yàn)

由于水壓與水深呈正比，本部分試驗(yàn)由潛水員攜帶檢測(cè)工件潛水至平臺(tái)周?chē)煌钗恢茫罘謩e為0米（水面）、5米、10米、15米、20米、25米及30米共7種，測(cè)得水溫為5℃，所選用的線纜長(zhǎng)度為50米。得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 水壓-聲時(shí)對(duì)比表

4.4 水溫影響聲時(shí)對(duì)比試驗(yàn)

為便于試驗(yàn)操作，本部分試驗(yàn)將試驗(yàn)工件放置在測(cè)試桶中，水桶高50cm，直徑40cm。試驗(yàn)前從采油平臺(tái)附近取海水，水深約30cm，取水時(shí)水溫為2℃，經(jīng)加熱后水溫為50℃。使水溫自然冷卻，從45℃起，水溫每下降5℃記錄一次聲時(shí)值，直至下降至當(dāng)時(shí)氣溫0℃。通過(guò)上述試驗(yàn)可得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示：

表3 水溫-聲時(shí)對(duì)比表

5 檢測(cè)影響因素分析

5.1 傳輸信號(hào)衰減對(duì)比試驗(yàn)分析

根據(jù)4.2的測(cè)試結(jié)果可以看出，線纜為5米變化至100米時(shí)，聲時(shí)在11016～11017ns波動(dòng)，聲速無(wú)變化，但波幅的變化量較大，從最高78.6%下降到31.4%，測(cè)試結(jié)果表明，隨著線纜長(zhǎng)度的增加，超聲能量在不斷的衰減，因此以目前的設(shè)備激發(fā)聲能水平來(lái)看，并考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中因高差、距離產(chǎn)生的的線纜余量，線纜的最大可制作長(zhǎng)度為50米，此時(shí)的回波波幅為68.4%，尚可滿足檢測(cè)需求。若超過(guò)50米，則波幅低于50%，影響檢測(cè)結(jié)果分析，應(yīng)調(diào)整設(shè)備的激發(fā)聲能、使用衰減率較低的導(dǎo)線等方法，降低因距離產(chǎn)生的聲能衰減。

他們結(jié)婚不到兩年，典型的“男人賺錢(qián)養(yǎng)家當(dāng)大丈夫、女人負(fù)責(zé)貌美如花當(dāng)小媳婦”的傳統(tǒng)婚姻，一開(kāi)始倆人的小日子過(guò)得還算得過(guò)且過(guò)，時(shí)間一長(zhǎng)表妹就圍著柴米油鹽、婆媳恩怨和鄰里長(zhǎng)短打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，一開(kāi)口就是抱怨、牢騷，負(fù)能量滿滿，表妹夫就指責(zé)表妹不思進(jìn)取、沒(méi)主見(jiàn)沒(méi)個(gè)性，越來(lái)越不像從前他認(rèn)識(shí)的那個(gè)伶俐乖巧的女子，表妹眼瞅著步步高升的妹夫跟她差距越來(lái)越大，徹底喪失安全感，不是查勤就是翻手機(jī)查通話記錄，每天對(duì)他嚴(yán)防死守的，小日子過(guò)成了針尖對(duì)麥芒。

5.2 水壓影響聲時(shí)對(duì)比試驗(yàn)分析

根據(jù)4.3中水壓影響試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)水深從0米提升至30米過(guò)程中，壓力從0增加至0.3MPa，而聲時(shí)變化量為1ns，在設(shè)備的精度范圍內(nèi)。因此，可認(rèn)為在當(dāng)前水壓范圍內(nèi)，水壓對(duì)聲時(shí)的影響基本忽略不計(jì)[2]。

5.3 水溫影響對(duì)比試驗(yàn)分析

根據(jù)4.4中溫度影響試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聲時(shí)對(duì)于溫度的變化較敏感，隨著溫度的不斷降低，聲時(shí)亦不斷下降，近似為正比例關(guān)系。當(dāng)水溫從45℃降至0℃，溫差為45℃，聲時(shí)差為25ns，溫度-聲時(shí)平均變化率為0.556ns/℃。若標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的溫差為10℃，則引起的聲時(shí)差為5.56ns，假設(shè)應(yīng)力變化率為7MPa/ns，則引起的應(yīng)力差值為38.92Pa。但須注意的是，此時(shí)的應(yīng)力差并非工件自身的應(yīng)力，而是由于溫度變化導(dǎo)致聲時(shí)同步變化而產(chǎn)生的一種應(yīng)力偏離。此部分偏離需要在前期實(shí)驗(yàn)對(duì)某種材料的工件進(jìn)行溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，得到溫度-應(yīng)力數(shù)值曲線及溫度-應(yīng)力影響系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中即可對(duì)由溫度變化引起的聲時(shí)變化進(jìn)行補(bǔ)償[3]。

5.4 偏離優(yōu)化分析

基于文中4.4及5.3的試驗(yàn)結(jié)果及分析，當(dāng)溫度變化與聲時(shí)變化近似為線性關(guān)系時(shí)，可認(rèn)為因溫變產(chǎn)生的應(yīng)力偏離量可表示為溫度試驗(yàn)獲得的聲時(shí)-溫度平均變化率與待測(cè)工件、基準(zhǔn)試塊之間溫差、應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)相關(guān)，其偏離優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：

σ（T），因溫度變化引起的應(yīng)力偏離，MPa；

T1為檢測(cè)工件溫度，℃；

T0為基準(zhǔn)應(yīng)力試塊進(jìn)行應(yīng)力校準(zhǔn)時(shí)的溫度，℃；

T2及T3為溫度-聲時(shí)試驗(yàn)時(shí)的最高溫度與最低溫度，℃；

K為根據(jù)GB/T32073-2015《無(wú)損檢測(cè) 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)標(biāo)定獲得的應(yīng)力系數(shù)，單位（MPa/ns），該系數(shù)與被檢的材料特性和探頭間距相關(guān)。依據(jù)聲彈性原理有：

σ為檢測(cè)應(yīng)力值，MPa；

σ0為基準(zhǔn)應(yīng)力值，通常可認(rèn)為取0，MPa；

t為檢測(cè)聲時(shí)值，ns；

t0為基準(zhǔn)聲時(shí)值，ns；

因此，最終的應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果應(yīng)由兩部分構(gòu)成，即根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力值σ加上應(yīng)力偏離優(yōu)化值σ（T）。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)水下超聲應(yīng)力檢測(cè)中可能影響檢測(cè)精度的三類(lèi)因素即線纜長(zhǎng)度變化、水壓變化是及水溫變化開(kāi)展試驗(yàn)并進(jìn)行針對(duì)性分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）線纜長(zhǎng)度對(duì)傳輸信號(hào)的能量衰減影響較大，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)水深，選取適合的線纜長(zhǎng)度，并考慮調(diào)整設(shè)備的激發(fā)聲能、使用衰減率較低的導(dǎo)線等方法，降低因距離產(chǎn)生的聲能衰減。

2）30米水深范圍內(nèi)，水壓對(duì)聲時(shí)的影響可忽略不計(jì)。

水溫對(duì)于聲時(shí)傳播影響較大，文中提出的應(yīng)力優(yōu)化方法可針對(duì)溫度變化引起的應(yīng)力偏離進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于提高水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)精度、真實(shí)反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平具有一定的工程價(jià)值。