管道焊缝残余应力超声环形组合测量方法

郭军;周世圆;徐春广;潘勤学

【摘 要】重点阐述基于临界折射纵波(LCR波)的超声环形组合探头管道焊缝残余应力的测量方法,该方法用于实际测量,可提高管道焊缝残余应力检测的效率.详细介绍了检测系统硬件和软件,并对残余应力与纵波声速的线性关系进行实验分析,通过切块分离法验证了该方法测量输送管道焊缝残余应力的可行性. 【期刊名称】《机械研究与应用》 【年(卷),期】2012(000)006 【总页数】3页(P90-92)

【关键词】临界折射纵波;管道焊缝;残余应力;环形组合 【作 者】郭军;周世圆;徐春广;潘勤学

【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081 【正文语种】中 文 【中图分类】TH123 1 引言

工业管道系统广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域。目前管道输送量越来越大，输送压力也越来越高，加之复杂服役环境因素的影响，管道的表面和

内部广泛存在残余应力分布不均匀现象，尤其是焊缝处和热影响区等局部，当残余应力达到管道材料的屈服极限应力时，便会导致管道焊缝处的开裂，造成重大损失［1］。因此，对在役管道的残余应力检测就显得极为重要。

工业应用上，通常采用漏磁法、X射线法、超声法等无损检测方法对在役管道实施检测［2］，其中超声检测法除具有现场适应性强、对人体无害、使用灵活、可即时得到检测结果的特点外，还可以实现带防腐防护层下的管道表面和亚表面的残余应力检测，这些优越的检测特性使得超声检测技术将成为在役管道残余应力检测的重要检测方法。而超声应力测量中，对于残余应力较敏感的超声波波型是临界折射纵波［3］，该纵波沿试件的次表面传播，可以测量构件表面下方一定深度的应力值。笔者详细介绍了一套管道焊缝残余应力的超声环形组合测量系统。 2 临界折射纵波检测残余应力 2.1 临界折射纵波的产生机理

如图1所示，由压电晶片产生超声波，从一种材料(介质Ⅰ)以一定倾斜角入射到被检测材料(介质Ⅱ)，在两种不同声阻抗介质间的界面处发生波型转换。在介质Ⅱ中形成纵波和横波两种类型的超声波，它们的角度关系符合斯涅耳定律［4］:

式中:Vd1、Vs1分别是介质Ⅰ中纵波波速和横波波速，Vd2、Vs2分别是介质Ⅱ中纵波波速和横波波速;θ和β分别为入射纵波角度和折射纵波角度;α和α1分别为折射横波角度和反射横波角度。

若介质Ⅱ的纵波波速大于介质的纵波波速Ⅰ，折射纵波的角度β随着入射角θ的增大而增大，当β达到90°时的入射角θ称为第一临界角，此时的折射纵波就是临界折射纵波(LCR波)，根据公式(1)得第一临界角θ=arcsin(Vd1/Vd2)。 图1 临界折射纵波产生机理

2.2 临界折射纵波测量残余应力的原理

根据声弹性理论［5］，沿应力方向传播纵波波速会随应力的改变而改变，并且它们的关系可表述为:

式中:V为沿应力方向传播的纵波波速;V0是零应力状态下纵波波速;k为临界折射纵波的声弹性系数;σ为应力大小(其值为正表示压应力，为负表示拉应力)。 对式(2)微分变形后得:

式中:dσ是应力的改变量(MPa);dV为纵波传播速度的改变量。

由于超声波的传播速度受应力变化的影响非常小［6］，较难测量，通常使激励探头与接收探头之间的距离L固定，当声速发生变化时，超声波传播时间也会发生变化，相应的式(3)转化为传播时间与应力的关系:

这里作近似简化，让t≈t0，式(4)相应简化为:

令应力常数K=-2/kt0，其中t0是零应力条件下纵波传播过，这时应力变化与超声波传播声时变化成近似线性关系，即Δσ=KΔt。 3 超声环形组合系统

输送管道焊缝残余应力的组合检测系统组成如图2所示，包括多通道超声收发设备CTS816、超声收发组合探头、聚氨酯柔性软带、张紧装置、工控机等。 聚氨酯柔性软带和张紧装置将12组超声收发组合探头固紧在管道表面形成超声环形组合探头;多通道超声收发设备逐个激励12组超声收发组合探头，产生临界折射纵波，并将接收到的透射信号传输给工控机;工控机对采集到的信号进行分析计算得到临界折射纵波的传播时间差Δt，根据预先储存的标定过的应力常数K计算得到被测管道的残余应力值。

图2 环形组合检测系统组成 3.1 LRC波收发组合探头

LRC波收发探头如图3所示，每组采用一发一收模式，T为发射探头，R为接收探头，两探头装配在有机玻璃斜楔的斜面上。本次试验采用的有机玻璃的超声传播速度Vdl=2656m/s，实验所用管道中超声传播速度Vd2=5900m/s，根据Snell定律可得第一临界角 θ=arcsin(2656/5900)=26.7°。 图3 LRC波收发组合探头 3.2 柔性软带设计

为了将12组LRC波收发探头环形组合固定在被测管道的外表面，设计了一套柔性软带装置，本实验采取特制的聚氨酯材料制作柔性软带，如图4所示，该软带具有良好的机械物理性能，能有很好的柔韧性且受力后变形微小，这样就能保证柔性软带能很好地环抱在管道外壁，相邻收发探头之间位置沿管道外壁周向的变化不大。而且该柔性软带还具有耐水、耐油等优良特性。

综合考虑探头装配、重量和厚度情况下设计柔性软带厚度为62mm，为了便于捆绑和拆卸整套装置分为2条，每条柔性软带有6个装配探头的阶梯槽，每个阶梯槽之间开有阶梯V槽便于环抱管道外壁能很好地弯曲，柔性软带侧面有信号线走线槽。2条柔性软带之间使用尼龙带连接，另一端由张紧器张紧。 图4 聚氨酯柔性软带 图5 张紧器 3.3 张紧器设计

为了使2条柔性软带连接张紧并且使每组探头的声楔块紧贴在管道外壁，设计一套张紧装置，如图5所示，该张紧器主要由紧绳机构、夹绳机构、恒力机构组成。工作前，先将12对探头组装到柔性软带中，将2条柔性软带的其中一端通过尼龙带相连，环抱在管道外壁上，另一端由张紧器的夹绳机构连接，并由紧绳机构张紧、

恒力机构控制张力满足要求时的自锁。该张紧器卸载也很方便，只需将紧绳机构的驱动板提起并抽拉尼龙带即可。 4 测量结果及分析 4.1 超声应力常数标定

由于测量的应力值为相对值，必须先标定管道焊缝处某点为零应力参考点。按照《金属材料室温拉伸试验方法》标准加工与该实验管道材质相同的拉伸试样，在拉伸机上进行应力常数标定。如图6所示，通过拉伸试验机给试样两端施加拉力，以步长为2.5kN从5kN逐步加载到50kN，每次通过LRC探头测量得到一个声时差Δt，经拟合后得到载荷和声时差之间近似线性关系，经测量应力常数为K=11.3MPa/ns。

4.2 管道焊缝残余应力组合测量

实验系统如图7所示，被测试样为西部管道局西气东输中实际管线切割下的带有环焊缝的一段管道，外径457mm。试验前，先将管道焊缝处刮除宽300mm的防腐层，露出金属外壁，将装配有12组超声探头的2条柔性软带连接并通过张紧器勒紧于管道外壁。其中每组探头独立一发一收模式，且沿着管道轴线，有机玻璃楔块底部通过耦合剂和管道外壁紧贴。 图6 应力常数标定

图7 管道焊缝残余应力测量实验

通过多通道收发仪以及编制的软件系统依次测量管道焊缝处一周12个点的应力数值，实验中选择位置1的为零应力参考点，其他每组LRC波收发组合探头重复测量5次，平均后得到该点的残余应力值，测量时间小于1min，测量数据如表1和图8所示。

表1 管道残余应力测量值 /MPa位置 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 平均值1零应力参考点 0 2 60 72 78 78 78 73 3 185 192 162 156 156 170 4 -150 -

132 -132 -132 -132 -135 5 -276 -264 -258 -258 -258 -262 6 -330 -324 -318 -312 -312 -319 7 -258 -258 -258 -258 -258 -258 8 72 60 54 54 54 58 9 24 30 30 30 30 28 10 42 54 66 68 68 59 11 90 96 96 96 96 94 12 18 30 48 54 54 40

从图8可知，管道一周的残余应力最大值出现在位置6处，为残余应力集中点。为了验证测量结果的准确性，将管道沿环焊缝截断分离出热影响区域部分，进行机械切块实验，测量结果与基于LRC的超声环形组合方法基本相符。 图8 应力分布折线图 5 结语

本文针对外径为457mm的管道，利用声弹性原理超声环形组合探头测量环焊缝残余应力，能快捷高效地得出环形焊缝的应力值，验证了LCR波测量残余应力的有效性，将来可将整个聚氨酯柔性软带和信号线封装好，埋入服役的管道土壤中，是定期进行管道检测重要措施，为我国石油天然气的输送管道监测提供了新方法。 参考文献:

［1］ 颜 峰.油气输送焊管残余应力测试方法的研究［J］.石油机械，1999(4):18-20.

［2］ 刘绍亮.油气管道缺陷无损检测与在线检测诊断技术［J］.天然气与石油，2007(2):10-14.

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［6］ 刘 凡，丁杰雄.用LCR波检测零件内部切向应力的实验研究［J］.仪器仪表用户，2006(3):118-120.