地質(zhì)災(zāi)害變形管段在線應(yīng)力超聲測(cè)量技術(shù)

于文廣1,李玉坤,費(fèi) 凡3,王鴻膺,王龍升,牛海仲,楊進(jìn)川

(1.北京油氣調(diào)控中心，北京 100007；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，青島 266580；3.中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬(wàn)公里。在役油氣管道不可避免地會(huì)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)地面變形時(shí)，土體會(huì)產(chǎn)生不可逆的變形，而管道受到土體的推動(dòng)作用會(huì)發(fā)生不均勻的變形，變形嚴(yán)重時(shí)將會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題[1]。

地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)變形的管段是否達(dá)到其安全極限，能否繼續(xù)使用，還是需要釋放應(yīng)力或更換管段，這些問(wèn)題都直接關(guān)乎到企業(yè)的安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)工程師往往只能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏科學(xué)判據(jù)。因此，亟需一種測(cè)試技術(shù)，能對(duì)危險(xiǎn)或者變形管段直接給出其在線應(yīng)力，從而對(duì)管道進(jìn)行安全評(píng)估。筆者基于聲彈性理論，研究地質(zhì)災(zāi)害變形管段在線應(yīng)力超聲測(cè)量的理論和方法，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)行現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，測(cè)量了變形管段運(yùn)行工況下的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了安全裕度的評(píng)估。

1 理論基礎(chǔ)

超聲測(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[2]。BRAY等首先證明了各類型聲波對(duì)應(yīng)力的敏感存在一定的差異，其中臨界折射縱(LCR)波對(duì)應(yīng)力最為敏感[3-4]。2008年，巴西的FRAGA使用LCR波測(cè)量X70鋼的樣品來(lái)研究溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度。2013年，JAVADI等[5]采用LCR波測(cè)量了奧氏體不銹鋼管的軸向焊接殘余應(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,馬子奇和宋文濤等[6-8]對(duì)超聲法測(cè)試管道焊縫殘余應(yīng)力開(kāi)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)出了雙向應(yīng)力狀態(tài)下的縱波聲彈性公式，為測(cè)試管道表面雙向應(yīng)力狀態(tài)提供了有效的計(jì)算方法[9]。

在材料彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與聲傳播時(shí)間成線性關(guān)系，縱向平面波平行于應(yīng)力加載方向的傳播速度與應(yīng)力(σ)的關(guān)系如式(1)所示[10]。

(1)

式中：V11為平行于應(yīng)力加載方向的波傳播速度；ρ0為材料無(wú)應(yīng)力下的初始密度；λ,μ為材料的二階彈性模量；l,m,n分別為材料的三階彈性模量；ε為加載方向上的應(yīng)變；ν為材料的泊松比。

對(duì)式(1)進(jìn)行推導(dǎo)化簡(jiǎn)，得到式(2)。

Δσ=K(t-t0)=KΔt

(2)

式中：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)，由材料本身決定，對(duì)于特定材料是常數(shù)。

由式(2)可知，標(biāo)定應(yīng)力系數(shù)K后，通過(guò)精確測(cè)量LCR波傳播的聲時(shí)或聲時(shí)差，就可計(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

基于聲彈性原理，自主研發(fā)了油氣管道專業(yè)性應(yīng)力測(cè)試工具——油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量裝置(見(jiàn)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。如圖1(a)所示，該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。該裝置對(duì)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度可達(dá)0.1 ns，管道在線應(yīng)力測(cè)量誤差小于20 MPa。

圖1 油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量裝置

超聲激發(fā)和接收一體換能器的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，激發(fā)換能器和接收換能器安裝在有機(jī)玻璃楔塊中，聲程L固定為35 mm。換能器和被測(cè)介質(zhì)的傾斜角為28°，換能器的頻率為5 MHz。

圖2 超聲激發(fā)和接收一體換能器結(jié)構(gòu)示意

3 常用管線鋼應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

根據(jù)式(2)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前需要對(duì)應(yīng)力系數(shù)K進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，文章通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)得到常用管線鋼(X52、X60、X70、X80)的應(yīng)力系數(shù)。標(biāo)定試件選用常用管線鋼，試件的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，試件厚度為6 mm，表面粗糙度小于1 μm。

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖4所示，超聲收發(fā)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波的傳播時(shí)間t0。試驗(yàn)時(shí)，將試件固定于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，LCR波傳播方向平行于應(yīng)力加載方向。由自由狀態(tài)起始，逐步對(duì)試件增加載荷，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。

圖3 標(biāo)定試件的尺寸

圖4 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

按照式(2)擬合出應(yīng)力-聲時(shí)差的曲線，如圖5(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，曲線的公式為σ=13.813Δt，則試件(X52管材)的應(yīng)力系數(shù)K為13.813 MPa·ns-1，即LCR波傳播時(shí)間每發(fā)生1 ns的變化，被測(cè)介質(zhì)中就有13.813 MPa的應(yīng)力變化。同理得到X60,X70,X80管線鋼的應(yīng)力系數(shù)，分別為14.013，15.764，16.109。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 凍脹管段

某天然氣分輸站出站口位置的管線在低溫下運(yùn)行，其周圍的土壤被凍結(jié)而使得管段發(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也被帶動(dòng)抬升，致使管段閥體離開(kāi)支座(見(jiàn)圖6)，管道內(nèi)部應(yīng)力增加，安全裕度減小。利用超聲波法對(duì)凍脹管段進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)價(jià)，主要工作步驟為：應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)-維護(hù)措施建議-應(yīng)力復(fù)測(cè)修復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)。

應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地對(duì)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)圖7)，結(jié)果如表1所示，測(cè)點(diǎn)A、B處應(yīng)力值分別為-280.6，-205.6 MPa(壓應(yīng)力)，測(cè)點(diǎn)C處應(yīng)力值為130 MPa(拉應(yīng)力)。三處測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值偏高，但仍滿足強(qiáng)度條件。

圖7 應(yīng)力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

維護(hù)措施建議：建議開(kāi)挖釋放應(yīng)力，修建防水涵洞。

應(yīng)力復(fù)測(cè)修復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)：開(kāi)挖后對(duì)相同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)A、B、C處的應(yīng)力值分別為187.2,154.6,117.6 MPa，應(yīng)力明顯得到釋放。

表1 初測(cè)和復(fù)測(cè)(開(kāi)挖前后)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

4.2 沉降管段

某輸油處計(jì)量站作業(yè)區(qū)輸油管道的一處支墩有明顯下沉，管道有明顯位移，地面出現(xiàn)凹陷，南北最大高度差達(dá)16.3 cm，且附近房屋墻體與地面間出現(xiàn)了開(kāi)裂。對(duì)其進(jìn)行初步判斷，得到的結(jié)論是：作業(yè)區(qū)地基沉降引起了埋地管道的較大變形。圖8所示為管線現(xiàn)場(chǎng)照片與待測(cè)點(diǎn)位置示意，針對(duì)該部分管道的測(cè)量共分4階段進(jìn)行。

第一階段：停輸工況下，測(cè)量13號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平。

第二階段：輸油工況下，開(kāi)挖埋地管道，測(cè)量13號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平。

第三階段：輸油工況下，開(kāi)挖埋地管段，添加千斤頂支撐并松開(kāi)部分支墩的螺栓，釋放部分應(yīng)力后(24 h)，測(cè)量14號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平。

第四階段：輸油工況下，待應(yīng)力充分釋放后(48 h)，回填埋地管道，保留部分支撐并重新擰緊螺栓，測(cè)量15號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平。

圖8 管線現(xiàn)場(chǎng)照片和測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖9 13號(hào)測(cè)點(diǎn)在線應(yīng)力的4次測(cè)量結(jié)果

表2給出了所有測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，圖9給出了13號(hào)測(cè)點(diǎn)的4次測(cè)量結(jié)果的變化曲線，從圖9和表2可知：1號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值始終在安全范圍內(nèi)，變化不大；2號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值變化最大，第1次測(cè)量結(jié)果明顯高于其他測(cè)點(diǎn)的，并且已達(dá)到了屈服應(yīng)力，經(jīng)過(guò)應(yīng)力釋放后應(yīng)力水平有所下降，再一次支撐而釋放應(yīng)力，應(yīng)力數(shù)值進(jìn)一步減小，修復(fù)后應(yīng)力有很小的增加，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)的類似，經(jīng)過(guò)開(kāi)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)。

基于委托方測(cè)量和評(píng)價(jià)的具體需求，結(jié)合測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)踐總結(jié)，形成了“應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)-維護(hù)措施建議-應(yīng)力復(fù)測(cè)修復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)”現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量評(píng)價(jià)方法。

表2 在線應(yīng)力的4次測(cè)量結(jié)果 MPa

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)油氣管道變形的問(wèn)題，基于聲彈性理論，分析了變形管段運(yùn)行工況下的應(yīng)力超聲測(cè)量技術(shù)：研制了油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量專用裝置、管材室內(nèi)標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的配套工具。

(2) 自主研制的油氣管道在線應(yīng)力超聲測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)力測(cè)量誤差低于20 MPa，測(cè)量實(shí)時(shí)、快速、穩(wěn)定，可作為管道運(yùn)行工況下應(yīng)力測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。

(3) 建立了高精度室內(nèi)標(biāo)定系統(tǒng)，可得到管線鋼的零應(yīng)力LCR波的傳播時(shí)間和應(yīng)力系數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量提供了基礎(chǔ)。

(4) 建立了“應(yīng)力初測(cè)評(píng)價(jià)-維護(hù)措施建議-應(yīng)力復(fù)測(cè)修復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)”的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量評(píng)價(jià)方法，在測(cè)量和評(píng)價(jià)凍脹管段與沉降管段應(yīng)用實(shí)踐中取得了很好的效果。