＊沈珂 趙娜 王彥軍 王沖 費(fèi)凡

（國(guó)家管網(wǎng)北京管道有限公司 北京 100101）

1.引言

長(zhǎng)輸管道穿越地區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，由地質(zhì)氣候?yàn)?zāi)害引起的長(zhǎng)輸油氣管道發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道疲勞失效及管道腐蝕泄露已經(jīng)成為危害管道安全的主要隱患之一[1]。根據(jù)管道事故調(diào)查表明，管道失效的點(diǎn)主要是在焊縫區(qū)域，因此對(duì)管道環(huán)焊縫區(qū)域應(yīng)力快速檢測(cè)和應(yīng)力集中分布分析具有重要的意義[2]。

現(xiàn)有應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)主要有應(yīng)變計(jì)貼片式在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)和離線式超聲應(yīng)力測(cè)量技術(shù)。然而，目前應(yīng)變計(jì)貼片和超聲檢測(cè)技術(shù)在快速大面積檢測(cè)應(yīng)力分布方面都存在一定的局限性。具體表現(xiàn)如下：應(yīng)變計(jì)貼片只能對(duì)粘貼部位應(yīng)力進(jìn)行一個(gè)方向上的應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)，給出的是所粘貼部位的應(yīng)力變化曲線，而不是具體的應(yīng)力值。此技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用范圍，但不便進(jìn)行快速大面積區(qū)域、多方向應(yīng)力檢測(cè)；超聲法在測(cè)量應(yīng)力時(shí)雖然可以檢測(cè)出不同管線位置的應(yīng)力值，但需要對(duì)管線進(jìn)行打磨平整處理，超聲探頭需要和管線進(jìn)行完全耦合才可以準(zhǔn)確測(cè)量，另外測(cè)試不同材質(zhì)和形狀的材料需要做不同的標(biāo)定試驗(yàn)，同樣不便進(jìn)行快速大面積區(qū)域應(yīng)力評(píng)估。

另外，長(zhǎng)輸油氣管道建成投產(chǎn)后，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，期間表征不明顯的地質(zhì)災(zāi)害持續(xù)發(fā)生著，管道維護(hù)工作者很難準(zhǔn)確判斷管道變形程度，即使能觀察到地面的變形，也缺少技術(shù)手段進(jìn)行定量測(cè)量與評(píng)價(jià)其危害程度。因此，對(duì)在線管道變形和重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，特別是易發(fā)生失效的環(huán)焊縫區(qū)域進(jìn)行運(yùn)行期間的快速應(yīng)力無(wú)損測(cè)量與應(yīng)力分布評(píng)估，是減少管道安全事故的有效手段，完善管道完整性評(píng)定技術(shù)，推動(dòng)管道完整性的發(fā)展。

2.矯頑力測(cè)焊縫應(yīng)力的基本原理

材料的磁滯行為對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的變化及殘余應(yīng)力非常敏感（見(jiàn)圖1），矯頑力是指將鐵磁性材料磁化到飽和后施加反向磁場(chǎng)，使其磁感應(yīng)強(qiáng)度減為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。而管道焊縫裂紋缺陷正是由于微觀結(jié)構(gòu)累積損傷和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的，管道在服役過(guò)程中受服役條件和焊接殘余應(yīng)力的影響，位錯(cuò)空位不斷運(yùn)動(dòng)釘扎，當(dāng)累積到一定程度就會(huì)形成微裂紋，且殘余應(yīng)力越高，越易加速微裂紋的形成。微裂紋聚集長(zhǎng)大最終形成宏觀裂紋，整個(gè)過(guò)程中磁滯參數(shù)矯頑力是逐漸增大的，直到出現(xiàn)宏觀開(kāi)裂導(dǎo)致部分殘余應(yīng)力釋放，矯頑力同步下降；因此可以通過(guò)測(cè)量材料的磁滯參數(shù)矯頑力來(lái)表征管道焊縫微觀組織的損傷程度及殘余應(yīng)力的變化[3]。也可以通過(guò)快速焊縫區(qū)域矯頑力值快速對(duì)整個(gè)環(huán)焊縫區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力集中分布評(píng)估。

圖1 飽和磁化過(guò)程及磁滯回線

矯頑力應(yīng)力檢測(cè)方法國(guó)內(nèi)外起步較晚，但其能對(duì)鐵磁性材料外部應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，其提取信號(hào)與巴克豪森信號(hào)相比提取難度小，穩(wěn)定性強(qiáng)，是一種較為理想的應(yīng)力檢測(cè)方法[4]。國(guó)外烏克蘭特殊科學(xué)工程公司研發(fā)的便攜式矯頑力檢測(cè)儀是目前市場(chǎng)應(yīng)用較多的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)楊理踐團(tuán)隊(duì)[5-8]一直致力于矯頑力應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)及相關(guān)應(yīng)用研究。其團(tuán)隊(duì)成功搭建了矯頑力檢測(cè)系統(tǒng)，矯頑力檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖2所示。該檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)測(cè)量被測(cè)試件的矯頑力來(lái)完成對(duì)樣品被測(cè)區(qū)域應(yīng)力集中分布評(píng)估。另外，國(guó)內(nèi)中國(guó)石油大學(xué)（華東）李玉坤團(tuán)隊(duì)[9]研究了X60鋼矯頑力與應(yīng)力關(guān)系。

圖2 矯頑力檢測(cè)系統(tǒng)原理示意

3.X80焊接管段環(huán)焊縫應(yīng)力的測(cè)量及應(yīng)力分布評(píng)估實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

待測(cè)管段由X80管材制成，管道主要參數(shù)及焊接工藝如表1所示，環(huán)焊縫位于管道中間。使用盲孔法、超聲法、矯頑力法分別對(duì)焊縫處殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

表1 管道主要參數(shù)及焊接工藝

應(yīng)力及矯頑力測(cè)量步驟如下：

①以環(huán)焊縫起焊處為0點(diǎn)，按表盤(pán)12個(gè)鐘點(diǎn)方位標(biāo)記環(huán)焊縫如圖2所示；

②環(huán)向上每隔30min取一個(gè)待測(cè)方位，如0:00、0:30、1:00等；

③每個(gè)待測(cè)方位沿管道軸向取5個(gè)待測(cè)點(diǎn)，③號(hào)點(diǎn)位于焊縫中心，②④號(hào)點(diǎn)位于焊趾處；

④使用矯頑力檢測(cè)儀（烏克蘭Novotest KRC-M2便攜矯頑力檢測(cè)儀），測(cè)量各點(diǎn)的軸向和環(huán)向矯頑力如圖3（a）所示；

圖3 X80管道環(huán)焊縫測(cè)量位置實(shí)物圖及環(huán)向位置示意圖

⑤測(cè)點(diǎn)打磨平整如圖4（c），使用超聲測(cè)量?jī)x（中國(guó)石油大學(xué)（華東）自發(fā)研究的應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備）測(cè)量軸向殘余應(yīng)力如圖4（D）所示，中間焊縫位置不具備超聲檢測(cè)是緊密耦合的要求，焊縫中心④號(hào)點(diǎn)位超聲測(cè)應(yīng)力值沒(méi)有測(cè)；

圖4 不同測(cè)試方法對(duì)X80環(huán)焊縫測(cè)試圖

⑥使用盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力如圖4（d）所示，使用設(shè)備為HY-01型盲孔鉆孔儀+應(yīng)變儀。

(2)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室采用盲孔法、超聲法、矯頑力法進(jìn)行了X80焊接管段環(huán)焊縫應(yīng)力的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同技術(shù)測(cè)量結(jié)果如 表2和表3所示，對(duì)不同測(cè)試結(jié)果做圖對(duì)比如圖4所示，環(huán)焊縫殘余應(yīng)力環(huán)焊縫及其兩側(cè)殘余應(yīng)力沿管道軸向呈山形分布：焊縫中心為數(shù)值較大的拉應(yīng)力，焊縫相鄰兩側(cè)為數(shù)值較低的壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫處應(yīng)力值接近于零。同時(shí)對(duì)比測(cè)試方法發(fā)現(xiàn)，矯頑力法與盲孔法、超聲法測(cè)量結(jié)果規(guī)律一致，表明矯頑力法適用于管道環(huán)焊縫殘余應(yīng)力測(cè)量，而且矯頑力法無(wú)需打磨，對(duì)管道沒(méi)有損傷，適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

表2 超聲法軸向殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果（MPa）

表3 盲孔法測(cè)量結(jié)果（MPa）

將測(cè)得管道矯頑力值導(dǎo)入到Tecplot軟件中繪制成管道矯頑力云圖如圖5所示。矯頑力最大值為11.4A·cm-1，在 10:30④號(hào)位置的軸向方向；最小值為7.4A·cm-1，在7:30 ④號(hào)位置的環(huán)向方向。管道外表面軸向矯頑力平均值比環(huán)向矯頑力大0.2A·cm-1，但約有1/4測(cè)點(diǎn)環(huán)向矯頑力比軸向矯頑力大。焊縫處軸向和環(huán)向矯頑力都是最大的，離焊縫越遠(yuǎn)矯頑力越低。

圖5 不同測(cè)試方法對(duì)X80環(huán)焊縫測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖6 X80管道環(huán)焊縫應(yīng)力集中分布可視化分析圖

4.結(jié)論

矯頑力測(cè)得結(jié)果與盲孔法、超聲法測(cè)量結(jié)果誤差較小，表明矯頑力法應(yīng)力測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)管道焊接應(yīng)力的測(cè)量和應(yīng)力集中快速評(píng)估。相比于盲孔法，矯頑力法測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)便、無(wú)需打磨、對(duì)管道沒(méi)有損傷，更適合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。

焊接后管道焊縫區(qū)域產(chǎn)生了較大殘余應(yīng)力，不利于管道服役安全，需要應(yīng)用殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，并選擇合適的應(yīng)力消減措施降低管道殘余應(yīng)力。