浅谈超声波应力检测技术在输气管道工程中的应用

杨金爽（山东中石大工程设计有限公司，山东东营257000）

1 背景

2018 年6 月10 日中缅天然气输气管道黔西南州晴隆县K0975-100m 处发生泄漏燃爆事故，燃爆口位于沿山敷设的管段上，事故调查直接原因为组合荷载作用下造成的环焊缝脆性断裂。截至2018 年底，我国天然气干线管道总里程达7.6 万公里。受气源和消费市场分布制约，我国天然气输送管道穿越西北、川鄂、云贵、两广等地质灾害区域较多，且伴随管道沿线社会经济发展，管道高后果区呈现增长态势，管道的安全运行面临巨大压力。

管道本体应力作为管道安全的一重要控制指标，对管道本体安全的重要控制指标管体应力水平的检测和控制提出了迫切要求。

目前，管道应力测试方法有盲孔法、X射线衍射法、超声波法等。其中，超声波法是当前无损测试工程结构工作应力的有效方法，适用于在役管道本体应力的检测，且在工程中已成功应用。本文主要对不同应力测试方法进行对比，并着重分析超声波应力检测技术在输气管道中的应用情况，旨在为后续管道应力检测及分析和管体应力的整治提供经验。

2 应力检测技术现状

目前国内外主要的应力测试方法有：盲孔法、X 射线衍射法、超声波法。各检测技术原理及应用特点分析如下：

（1）盲孔法：根据应变片或应变花在钻孔过程中检测的形变量来计算残余应力值。技术较为成熟，但属于有损的检测方式，需要在试件上进行钻孔。适合生产过程中的抽检或者允许破坏性检测场合，在役管道一般无法采用。

（2）X 射线衍射法：X 射线衍射主要是利用晶体X 射线衍射的布拉格方程，依据晶体衍射峰的偏移方向和幅度来确定应力的性质和大小，X 射线是应用比较早的一种应力测试方式，属于无损检测方式，但其透射深度有限，微米级别，只能检测表面应力，无法反映材料的真实应力状态，并且受设备尺寸、现场环境以及被测工件表面状态的限制，难以满足现场检测的需求，易产生辐射危害，不适用于管道本体应力检测。

（3）超声波应力测试法：超声波法测量应力基于声弹性理论，即被测介质中的应力会引起超声波传播速度的变化，且声速变化值与应力存在一定的数学关系，通过超声临界折射纵波波传播速度的改变量可计算被测介质的应力。目前，在国家部分干线输气管道等都有实际应用，效果良好,参见图1。

超声波应力测试具有以下优点：

测量深度较大，近表面应力检测深度2mm以内；

属于无损检测方式；

能够测出绝对应力；

测量快速，单点测试不超过10min；

无任何辐射，操作安全；

检测误差不超过±10%。

图1 超声波应力测试原理图

3 某管道实际检测应用

国内某管道建设期间，管道下沟回填时未对沟底及管体覆土进行压实，雨季管道发生下沉。为充分掌握管道下沉对管体应力的影响，避免因管道沉降、外部荷载和内部荷载等因素综合作用导致管体应力超限、发生管道失稳或应力开裂等事故，采用超声波应力检测方法对出现沉降管段进行应力检测。检测管道及结果如图2、3所示。

图2 DN1200管体应力检测点分布示意图

图3 管体检测应力分布情况

根据标准规范及材料第四强度理论进行分析评定，所检测管道管径DN1200、材质L555M、管材最小屈服强度555MPa，检测应力值276MPa（0.5σs），未超出规范规定的0.8σs，因此管体现状应力状态是安全的。

同时，通过检测结果来看，虽然管体应力水平未超限值，但管体同一检测断面不同测点位置受力趋势不同，管体3点位呈现拉应力、其余三个点位呈现压应力，且9点位压应力较其他点位要大，反映管道本身存在一定弯矩，弯曲方向为顺流向向左弯曲。现场通过开挖管道，对管道承受弯矩进行缓解，从而释放管道应力。

管道单处截面的应力检测可以用于判断管体检测界面的受力状态，从而简单分析管道的状态，但难以确定管道目前的受力产生的原因，无法开展针对性治理。通过对管道多处截面的应力测量，进行综合对比分析，是可以确定管道或者管系受力根源的。

结合检测分析结果，现场对埋地DN1200 主管线进行了开挖，在DN1200 管道两侧释放应力。实施后现场复检发现检测点位应力稳定，并呈现回落削减趋势，治理效果良好。

4 结语

超声波应力检测技术的应用，为今后地质灾害地段及部分特殊管段的管体应力安全评估提供了一种有效的解决途径。实际应用中可综合管体应力检测、管系应力模拟分析、管道应力评定标准等，对管道应力状态进行分级管理，尤其是地质复杂段和管系复杂区域。另外，日常运行中，建议对敏感区域管道等设施实施位移监视，呈现发育趋势的点位应及时开展应力检测和分析，助力治理措施的科学性和有效性。