便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀對(duì)在役管道的檢測(cè)

朱 濤，馬喜娜，趙仕林，許學(xué)龍

（北京春秋陽(yáng)光環(huán)?？萍加邢薰荆本?00102）

0 引 言

管道輸送具有輸送量大、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。除了應(yīng)用于長(zhǎng)途輸送油氣外，在許多工廠中，管道運(yùn)輸已成為各種氣體、液體物質(zhì)的主要輸送方式。由于管道輸送的這些氣體或液體大多有毒或具有危險(xiǎn)性（如高溫、高壓等），這就要求管道在使用中不允許出現(xiàn)泄漏事故，因此管道輸送的安全性非常重要。為了防止管道出現(xiàn)泄漏，就必須定期檢測(cè)管道的硬度、拉伸性能、殘余應(yīng)力等相關(guān)指標(biāo)，以評(píng)價(jià)管道的老化程度及安全性。這樣不僅可以大大減少事故的發(fā)生率，而且還可以建立起管道維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，科學(xué)地管理管道并進(jìn)行日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

常規(guī)的力學(xué)性能檢測(cè)設(shè)備大都采用破壞性的檢測(cè)方法，因此這種檢測(cè)方法只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室抽查檢測(cè)，而不可能應(yīng)用于在役檢測(cè)。為解決這個(gè)問(wèn)題，F(xiàn)RONTICS公司研究開(kāi)發(fā)了AIS3000系列便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀（產(chǎn)品外形見(jiàn)圖1），它打破了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的工作模式，可用簡(jiǎn)單、快捷、可靠、無(wú)損的方法對(duì)在役管道等各類設(shè)備進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)。采用該檢測(cè)儀檢測(cè)后只會(huì)在材料表面產(chǎn)生一個(gè)面積約為0.15mm2的壓痕，對(duì)管道結(jié)構(gòu)、使用性能不會(huì)產(chǎn)生影響。它可測(cè)試管道的硬度、拉伸性能、殘余應(yīng)力等指標(biāo)，從而準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備的使用狀況、預(yù)測(cè)其剩余使用壽命。

1 儀器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

AIS3000系列便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀由主機(jī)、夾具和測(cè)量軟件三部分組成。主機(jī)主要控制壓頭連續(xù)下壓，并裝有傳感器對(duì)壓頭下壓時(shí)的反彈力和下壓深度進(jìn)行測(cè)試。夾具主要起固定作用，避免儀器在工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)而影響測(cè)試精度。測(cè)量軟件既是操作程序也是分析程序。儀器工作時(shí)，會(huì)在操作軟件中生成載荷-深度曲線，進(jìn)而判斷儀器的工作是否正常。測(cè)試完畢后分析程序會(huì)通過(guò)載荷-深度曲線計(jì)算得到材料的硬度、拉伸性能和殘余應(yīng)力。

圖1 AIS3000系列便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀外形

2 工作原理及測(cè)試精度

2.1 拉伸性能

該便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀采用壓痕技術(shù)，通過(guò)壓頭多次下壓得到多組載荷-深度曲線，儀器將自動(dòng)通過(guò)有限元分析法將載荷-深度曲線轉(zhuǎn)變成真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線來(lái)計(jì)算材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，見(jiàn)圖2。

為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性，分別采用MTS萬(wàn)能單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)與便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀對(duì)45鋼和X65管線鋼進(jìn)行了拉伸性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)兩塊日本產(chǎn)不同硬度的標(biāo)準(zhǔn)維氏硬度試塊進(jìn)行了硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。由表1和表2可以看出，該儀器的測(cè)試結(jié)果與拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比，誤差不大于3%，可以滿足要求。

2.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力的測(cè)試是先測(cè)出材料在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的載荷-深度曲線，并將其作為參考曲線，如要測(cè)試焊接接頭的殘余應(yīng)力時(shí)，需要先測(cè)試遠(yuǎn)離焊縫母材的載荷-深度曲線；如要測(cè)試管道彎曲矯直后的殘余應(yīng)力則要先測(cè)未加工前板材的載荷-深度曲線。這些參考曲線在測(cè)同一批同類材料的設(shè)備時(shí)可以多次應(yīng)用，無(wú)需重新測(cè)量。當(dāng)給定相同的載荷L0時(shí)，通過(guò)測(cè)出有殘余應(yīng)力時(shí)的載荷-深度曲線上偏離參考曲線的橫坐標(biāo)上的距離Δh，再通過(guò)相關(guān)的公式來(lái)計(jì)算出殘余應(yīng)力值。如果是正偏量則為殘余拉伸應(yīng)力，反之則為殘余壓縮應(yīng)力，如圖3所示 。

圖2 儀器測(cè)得的載荷-深度曲線和轉(zhuǎn)化后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

表1 拉伸試驗(yàn)機(jī)與力學(xué)性能檢測(cè)儀的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表2 硬度測(cè)試結(jié)果與標(biāo)定值的對(duì)比

圖3 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果示意

為了對(duì)測(cè)得的某焊接接頭處的殘余應(yīng)力精度進(jìn)行驗(yàn)證，分別用切條法和萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀對(duì)同一管線鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀與切條法測(cè)試的結(jié)果基本相當(dāng)，最大殘余應(yīng)力的差值不超過(guò)20MPa。

圖4 力學(xué)性能檢測(cè)儀與切條法測(cè)試殘余應(yīng)力的對(duì)比

3 管道檢測(cè)實(shí)例

用該儀器對(duì)某石油公司一個(gè)內(nèi)徑為800mm、壁厚為20mm的X65管線鋼螺旋焊接石油管道焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)、母材分別進(jìn)行拉伸性能和殘余應(yīng)力檢測(cè)。

3.1 設(shè)備的安裝調(diào)試

由于便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀的球形壓頭半徑只有0.5mm，因此必須要先將設(shè)備表面的氧化層磨去并用1200目砂紙打磨平整。在儀器的安裝過(guò)程中，由于受到反彈力作用將導(dǎo)致傳感器測(cè)試不到真正的下壓力，因此需要安裝夾具固定設(shè)備。對(duì)于大口徑的石油管道主要使用曲面磁鐵夾具。在夾具上設(shè)有移動(dòng)裝置，可以在不移動(dòng)夾具的情況下移動(dòng)儀器來(lái)更換測(cè)試點(diǎn)位置再次進(jìn)行測(cè)試。

3.2 數(shù)據(jù)的測(cè)取

萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀采用計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)測(cè)試分析，用戶只需將壓頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置，啟動(dòng)儀器，當(dāng)壓頭接觸到材料表面后操作程序自動(dòng)開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試完畢后，測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入分析模塊中生成所需要的結(jié)果。值得注意的是，測(cè)得的拉伸性能數(shù)據(jù)只能用于分析拉伸性能而不能用于殘余應(yīng)力的分析。對(duì)圖5所示焊接接頭的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。

圖5 管道測(cè)試位置示意

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

由表4和表5可知，管道焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于X65管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明管道未出現(xiàn)老化現(xiàn)象。母材的強(qiáng)度高于焊縫和熱影響區(qū)的，這可能是由于焊接后為消除殘余應(yīng)力采用緩慢冷卻的方法所致。焊縫中的殘余應(yīng)力都為殘余壓縮應(yīng)力，最大為85.37MPa，只有母材屈服強(qiáng)度的1 5%左右。根據(jù)管道殘余應(yīng)力不能高于屈服強(qiáng)度50%的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以確定殘余應(yīng)力對(duì)管線焊接接頭沒(méi)有太大影響。檢測(cè)結(jié)果表明管道處于安全的工作狀態(tài)。

表4 焊縫殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果

表5 焊接接頭不同區(qū)域拉伸強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果 MPa

4 結(jié) 論

便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀可簡(jiǎn)單、有效、非破壞性地檢測(cè)在役設(shè)備的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和殘余應(yīng)力等相關(guān)性能指標(biāo)，對(duì)管道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)及管理。