李林濤 孟濤 曾維國 吳登

中國特種設(shè)備檢測研究院

摘要：介紹了基于cosα法的X射線衍射測量管道表面應(yīng)力技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法為油氣管道表面應(yīng)力在線檢測提供了一個(gè)較好的解決辦法。該技術(shù)所測表面應(yīng)力反映的是微觀區(qū)域的應(yīng)力，如何采用表層或近表層微觀區(qū)域應(yīng)力評價(jià)管道安全狀況，建立相應(yīng)的評價(jià)模型及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還需深入研究。

關(guān)鍵詞：油氣管道；地質(zhì)沉降；表面應(yīng)力； cosα法；X射線衍射

油氣管道受地質(zhì)災(zāi)害等因素影響，發(fā)生事故多為管道本體應(yīng)力超限。如地質(zhì)沉降使管道容易在沉降區(qū)域土體位移的作用下發(fā)生拉壓和扭曲變形，產(chǎn)生裂縫、拉斷等，導(dǎo)致管道薄弱處破裂、泄漏、起火或爆炸。因此，對存在或發(fā)生地質(zhì)沉降區(qū)域的管道進(jìn)行表面應(yīng)力測量與監(jiān)測，提高管道安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力非常必要。

1  基于cosα法的 X射線衍射法

管道殘余應(yīng)力無損檢測方法主要有磁性法、超聲波法、中子衍射法、X射線衍射法等。X射線衍射法理論相對成熟，檢測標(biāo)準(zhǔn)也已完善，但該方法大多基于實(shí)驗(yàn)室測量，相應(yīng)儀器復(fù)雜，工業(yè)現(xiàn)場檢測應(yīng)用較少。

X射線衍射法測量表面殘余應(yīng)力利用布拉格定律，即X射線波長λ的條件下，布拉格定律把宏觀可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。1961年德國E.Mchearauch依據(jù)布拉格定律及胡克定律提出了X射線應(yīng)力測定的sin2ψ法，即應(yīng)變(應(yīng)力)與衍射晶面方位角ψ的正弦平方成函數(shù)關(guān)系。

1997年日本科學(xué)家SASAKI等提出用單次入射方法在試樣和面陣探測器相對位置固定的情況下，單次曝光獲得德拜環(huán)信息計(jì)算應(yīng)力，方程變量為cosα，該方法也被稱為單次入射cosα法。該方法利用圓形全二維探測器獲取X射線在給定角度入射后的全部衍射德拜環(huán)，使得現(xiàn)場測量和不規(guī)則形狀樣品測量成為了可能。cosα法應(yīng)力儀采用中間開孔的面陣探測器，X射線穿過中心孔照射到樣品上，探測器在相對于樣品的固定角度和距離捕獲衍射峰的環(huán)狀信息即德拜環(huán)，見圖 1。根據(jù)有無應(yīng)力存在時(shí)德拜環(huán)的偏離角α，通過胡克定律推導(dǎo)出以下應(yīng)力方程：

圖 1 單次入射cosα 法原理示意圖

假定試樣表面平面應(yīng)力狀態(tài)下，表面法線方向的剪切應(yīng)力τ13、τ23為零，即殘余應(yīng)力的計(jì)算表述為：

可以看出，應(yīng)變(應(yīng)力)與cosα成線性關(guān)系。

2  X射線衍射檢測技術(shù)應(yīng)用

2.1  管道概況及檢測參數(shù)

選取A、B兩座天然氣凈化廠4條（A1、A2、B1、B2）在役放空管道進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測，對比分析地基沉降對管道應(yīng)力影響程度。其中A廠管道存在地基沉降，規(guī)格為Φ168 mm×7.5 mm，材質(zhì)為20#鋼。B廠管道未發(fā)生沉降，其管道走向、規(guī)格、介質(zhì)、功能、運(yùn)行條件等與A廠一致。

基于cosα法的X射線衍射檢測技術(shù)，采用u-X360便攜式X射線應(yīng)力檢測儀。管道表面處理采用電解拋光儀，電解拋光及測量參數(shù)見表 1。

2.2  檢測方法

（1）除漆劑除去防腐油漆，露出管材本體。

（2）采用1000目砂紙除去管體表面氧化層，打磨區(qū)域2 cm×2 cm，采用W2.5/4000目金剛石研磨膏進(jìn)行表面拋光。

（3）透明膠帶貼出正方形待電解拋光區(qū)，面積為1 cm×1 cm，調(diào)節(jié)電解拋光電壓，進(jìn)行電解拋光。

（4）調(diào)試u-X360便攜式X射線應(yīng)力檢測儀，進(jìn)行測量。

2.3  檢測結(jié)果與分析

2.3.1  管道檢測數(shù)據(jù)對比

每條管道檢測6處軸向應(yīng)力，檢測位置見圖 2，檢測數(shù)據(jù)見圖 3。

圖 2 測點(diǎn)位置示意圖

圖 3 A、 B兩廠4條管道應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)

由圖 3看出，4條管道表面應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且A廠管道測點(diǎn)所受拉應(yīng)力均大于B廠管道對應(yīng)位置。考慮到兩廠管道材質(zhì)、處理狀態(tài)、焊接工藝、檢測環(huán)境、檢測時(shí)的介質(zhì)狀態(tài)等因素均相同，由此造成的應(yīng)力差基本可判定由地質(zhì)沉降引起，即A廠管道所受應(yīng)力為沉降引起的附加應(yīng)力和制造引起的殘余應(yīng)力的綜合狀態(tài)，B廠管道只存在制造引起的殘余應(yīng)力。

測點(diǎn)1到測點(diǎn)2，測點(diǎn)5到測點(diǎn)6兩廠管道應(yīng)力變化趨勢相同，測點(diǎn)3、4、5之間應(yīng)力變化規(guī)律不明顯，因其均位于直管段，沉降對該區(qū)域影響不大。

2.3.2  管道表面不同深度應(yīng)力大小

選取與A、B兩廠管道材質(zhì)相同（20#鋼）的加工試樣以不同時(shí)間電解拋光，試樣尺寸50 mm×25 mm×2.55 mm。試樣待電解拋光區(qū)域原始壁厚2.55 mm，經(jīng)過10 s、60 s、240 s不同時(shí)間拋光，測得剩余壁厚分別為2.55 mm、2.43 mm、2.38 mm，經(jīng)計(jì)算平均電解腐蝕速率為0.7 μm/s。在上述時(shí)間范圍內(nèi)，電解拋光剝層厚度在幾微米到幾百微米的范圍內(nèi)。

選取A1、A2管道測點(diǎn)7（圖 2）。對不同電解拋光時(shí)間下的表面應(yīng)力進(jìn)行檢測。由圖 4可以看出，所測應(yīng)力隨電解拋光時(shí)間延長成梯度降低趨勢，實(shí)際反映了管體表面不同深度的應(yīng)力大小。管體應(yīng)力變化最劇烈的位置多在管體表面或近表層。管道因地基沉降產(chǎn)生較大附加應(yīng)力、制造過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所引起的顯著應(yīng)力梯度，都集中于表層或近表層。

圖 4 A廠A1、 A2管道測點(diǎn)7表面深度應(yīng)力值

3  結(jié)論

（1）基于cosα法的X射線衍射檢測技術(shù)為在役油氣管道表面應(yīng)力檢測提供了一個(gè)較好的檢測方向。通過檢測沉降區(qū)域及未沉降區(qū)域同類管道表面應(yīng)力，前者明顯大于后者，較好地反映了管道受力情況。

（2）管體表面微米級深度的表面應(yīng)力隨深度增加而遞減，變化最劇烈的殘余應(yīng)力存在于管體表面或近表層。

（3）基于cosα法的X射線衍射檢測技術(shù)反映的是微觀區(qū)域的應(yīng)力，如何采用表層或近表層微觀區(qū)域應(yīng)力評價(jià)管道安全狀況，建立相應(yīng)的評價(jià)模型及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還需深入研究。

作者簡介: 李林濤，1989年生，工程師，主要從事壓力管道損傷及相關(guān)檢驗(yàn)檢測工作。聯(lián)系方式：13227871015，lintao68@163.com。