CN114878041B - 一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，制作双向零应力拉伸试件，并在双向零应力拉伸试件一侧粘贴两个方向应变片；使用双向超声探头耦合双向零应力拉伸试件另一侧；对双向零应力拉伸试件进行若干组双向拉伸实验；记录若干组拉力状态下的X方向和Y方向的应变εx、εy及对应的超声波飞行时间tx、ty；拟合出应变与超声波飞行时间的定量关系式εx＝kxΔt＝kx(tx‑t0)和εy＝kyΔt＝ky(ty‑t0x+tc)，得到应力系数kx、ky，通过测量现场待测管段的管径、壁厚、内压，结合应力系数k得到管道的轴向应力和环向应力。本发明可以快速准确的测量出管道表面轴向应力大小，解决了现有技术中零应力标定和应力值不准确的难题，在现有超声波测应力技术的基础上，大大提高了检测结果的可信度。

Description

一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法
技术领域
本发明涉及应力测量技术领域，尤其涉及一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法。
背景技术
管道应力无损检测是管道安全排查过程中最重要的技术之一，其对管道无损伤的特点能够保证管道在运行状态下快速获得当前应力状态，判断管道当前应力水平，评价管道剩余安全裕度。应力无损检测技术中关键的是零应力状态的标定，其决定着各种检测手段测量结果的准确度。
目前，公知的油气管道应力检测方法包括有损检测方法和无损检测方法。有损检测方法又称为机械法，代表性的方法是盲孔法，通过检测应力释放前后应变的变化来计算应力的大小和方向，这些方法都会对被测材料产生一定的损伤，不适用于高压运行的管道应力检测。近几年，无损检测以其快速测量，低损伤甚至无损伤检测等优势，越来越被人们重视。无损检测方法主要包括电磁法、X射线法、超声法，这些技术通常测量一些与应力直接或间接相关的参数。例如电磁法通过检测被测材料在不同应力状态下的磁参数，来获得其在当前应力状态下的应力，其检测过程复杂且对检测人员的技术和经验要求较高；X射线法利用衍射原理，通过测量被测构件表面层由于晶格间距变化引起的应变，从而推算出应力大小，该方法对待测构建表面光洁度要求极高，且用于检测的设备不适用于开展现场管道应力测量；超声法通过测量超声波在管道表面的传播速度，来计算应力大小，其检测速度快、精度较高、技术应用便捷、环保无污染，越来越适用于油气管道工作状态下应力测量的主要技术手段。
现有的管道应力无损检测方法中，为了与管道在受力状态下测量测得的与应力有关参数相比较，还需要提前得到管道相同钢材零应力试件对应的有关参数。各种检测方法中，零应力试件的相关参数都是基于室内实验得到的数据，而实际测量环境与室内实验环境存在较大差别，由此引起的偶然性误差较大，难以保证测量精度(零应力标定自身存在的局限)。
超声测应力方法，是基于管道所受应力与超声波传播速度之间存在的声弹性关系，主要是通过获得应力与超声波波速之间的线性关系，进一步用于计算工作状态下管道的应力。而传统的超声测应力方法所涉及的零应力试件的测量主要是测量其轴向受力状态下，轴向应力与超声波飞行时间之间的关系，而管道在正常工作状态下是双向应力状态，实验室内所用的应力主要是通过应变片测量得到，传统超声测量过程存在局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，以解决上述问题，本发明可以快速准确的测量出管道表面轴向应力大小，同时解决了现有技术中零应力标定和应力值不准确的难题，在现有超声波测应力技术的基础上，大大提高了检测结果的可信度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，包括如下步骤：
S1、制作双向零应力拉伸试件，并在所述双向零应力拉伸试件一侧粘贴X方向和Y方向应变片，其中X方向为试件打磨方向和钢板轧制方向；
S2、使用双向超声探头耦合至S1中粘贴应变片的所述双向零应力拉伸试件另一侧；
S3、对步骤S2中耦合所述双向超声探头的所述双向零应力拉伸试件测量并记录所述拉伸试件零应力状态下X方向和Y方向对应的声时t0x和t0y，各自取平均值后，探寻所述双向超声探头对应的X方向、Y方向声时差值/>
S4、对步骤S2中耦合所述双向超声探头的所述双向零应力拉伸试件进行若干组双向拉伸实验；记录若干组拉力状态下的X方向和Y方向的应变εx、εy及对应的超声波飞行时间tx、ty；
S5、拟合出应变与超声波飞行时间的定量关系式εx＝kxΔt＝kx(tx-t0x)和εy＝kyΔt＝ky(ty-t0x+tc)，得到两个方向上的应变系数kx、ky，其中t0为零应力试件初始状态测得的超声波飞行时间；
S6、测量获得现场待测管段的管径、壁厚、内压，计算管道环向应力σy；
S7、利用步骤S6中计算得到的环向应力σy及现场测量的待测管道表面轴向超声波飞行时间tx'、环向超声波飞行时间ty'，计算管道的轴向应力σx。
优选的，所述步骤S4中的每组实验拉伸实验包括如下步骤：
S4.1、沿拉伸方耦合所述双向超声探头，使超声波传播方向与所述双向零应力拉伸试件加载力方向相同；
S4.2、施加X方向的拉力Fx保持为零；
S4.3、Y方向上拉力Fy从零开始，按照屈服极限的10％为载荷步步长，逐渐加载至屈服极限的70％，每个载荷步下记录试件X方向及Y方向应变，同时记录X方向及Y方向的超声波飞行时间tx、ty，一直加载到屈服极限的70％后再缓慢卸载；
S4.4、Fx按增加一个载荷步到屈服极限的10％，直到屈服极限的70％，X方向每增加一个载荷步后都重复S4.3中的操作。
优选的，步骤S6中管道环向应力其中P为管道内压，D为管道直径，t为管道壁厚。
优选的，步骤S7中管道的轴向应力其中μ为管道材料泊松比，E为管道材料弹性模量。
一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法使用的超声探头，所述超声探头为上述技术方案任一项测量在役油气管道应力的方法的所述双向超声探头，所述双向超声探头，包括安装块、设置在所述安装块一侧的探头安装块，所述探头安装块一侧设置有四个反射面，所述探头安装块另一侧设置有四个探头安装面，所述反射面与所述探头安装面对应设置，反射面与所述探头安装面之间夹角为锐角。
优选的，所述探头安装块为四棱锥结构，所述反射面设置在所述四棱锥结构的底面上，所述探头安装面设置在所述四棱锥结构的斜面上，所述安装块上开设有若干磁铁安装孔，所述磁铁安装孔沿所述安装块中心等间距分布，所述安装块中心开设有穿线孔，所述安装块远离所述穿线孔的一侧开设有探头安装槽，所述探头安装槽与所述穿线孔连通，所述探头安装块固定连接在所述探头安装槽内。
优选的，所述探头安装块为树脂。
一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法使用的试件，所述试件为上述技术方案任一项测量在役油气管道应力的方法的所述双向零应力拉伸试件，所述双向零应力拉伸试件包括试件本体，所述试件本体开设有至少四组孔，每组所述孔沿所述试件本体的四个方向等间距分布，每组所述孔包括偶数个拉力孔，所述拉力孔呈V字形结构排布，位于内侧的相邻所述拉力孔的间距大于位于外侧的相邻所述拉力孔的间距，所述试件本体上开设有应力分散孔，所述应力分散孔位于所述拉力孔内侧，所述本体上开设有通槽，所述通槽贯穿所述本体边部，并连通所述应力分散孔。
优选的，所述试件本体为调制处理且硬度为HRC50-55。
本发明具有如下技术效果：
在现有技术的基础上，本发明首先结合声弹性效应和胡克定律，通过建立轴向应变环向应变分别与超声波飞行时间的关系曲线，拟合出应变与超声波飞行时间的关系式εx＝F(tx)和εy＝F(ty)；再结合平面应力物理方程和/>推导出使用环向应力表示轴向应力的表达式σx＝F(tx,ty,σy)，利用环向应力/>计算轴向应力σx。
首先，与传统超声测应力技术相比，本发明所设计的双向超声探头，可以同时测量管道轴向声时tx及横向声时ty，测量数据更加完备。
其次本发明技术避免了传统超声测应力过程中测量零应力声时的问题，认为对于特定的超声探头测量出的管道钢材轴向和环向零应力声时插值为固定的值通过公式抵消零应力声时测量不准确带来的偶然误差。
进一步，超声波测应力在实际测量中，超声波飞行时间的测量还受到探头本身楔块尺寸的影响，本发明技术在测量过程中对每个探头都进行了标定，每个探头对应不同钢材进行双向拉伸试验，获得相应的应变系数kx、ky。此外，双向超声探头可以在互相垂直的两个方向上顺序发射超声脉冲，两个方向的超声波飞行时间测量相互独立，互不干扰，因此不必要求两个方向的有机玻璃楔块尺寸完全一致。
更进一步，本发明技术所涉及的室内拉伸零应力试件采用双向拉伸方法，更加准确的模拟油气管道正常工作时所受双向应力状态，在室内实验中获得轴向和环向两个方向上的超声波飞行时间和应变之间的关系式；
最后，本发明技术所涉及现场应力测量过程中，利用现场计算的环向应力来测量计算轴向应力，将室内试验结果和现场工况联系起来，综合计算管道在运行状态下的轴向应力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超声探头结构示意图；
图2为本发明超声探头另一视角结构示意图；
图3为本发明超声探头剖视结构示意图；
图4为本发明探头安装块结构示意图；
图5为本发明试件结构示意图；
图6为本发明试件与超声探头配合结构示意图；
其中，1为安装块，101为磁铁安装孔，102为穿线孔，103为探头安装槽，2为探头安装块，201为反射面，202为探头安装面，3为试件本体，301为拉力孔，302为应力分散孔，303为通槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-6所示，本发明提供一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，包括如下步骤：
S1、制作双向零应力拉伸试件，并在所述双向零应力拉伸试件一侧粘贴X方向和Y方向应变片，其中X方向为试件打磨方向和钢板轧制方向；
S2、使用双向超声探头耦合至S1中粘贴应变片的所述双向零应力拉伸试件另一侧；
S3、对步骤S2中耦合所述双向超声探头的所述双向零应力拉伸试件测量并记录拉伸试件零应力状态下X方向和Y方向对应的声时t0x和t0y，各自取平均值后，探寻双向超声探头对应的X方向、Y方向声时差值/>
S4、对步骤S2中耦合所述双向超声探头的所述双向零应力拉伸试件进行若干组双向拉伸实验；记录若干组拉力状态下的X方向和Y方向的应变εx、εy及对应的超声波飞行时间tx、ty；
S5、拟合出应变与超声波飞行时间的定量关系式εx＝kxΔt＝kx(tx-t0x)和εy＝kyΔt＝ky(ty-t0x+tc)，得到两个方向上的应变系数kx、ky，其中t0为零应力试件初始状态测得的超声波飞行时间；
S6、测量获得现场待测管段的管径、壁厚、内压，计算管道环向应力σy；
S7、利用步骤S6中计算得到的环向应力σy及现场测量的待测管道表面轴向超声波飞行时间tx'、环向超声波飞行时间ty'，计算管道的轴向应力σx。
进一步优化方案，所述步骤S4中的每组实验拉伸实验包括如下步骤：
S4.1、沿拉伸方耦合双向超声探头，使超声波传播方向与所述双向零应力拉伸试件加载力方向相同；
S4.2、施加X方向的拉力Fx保持为零；
S4.3、Y方向上拉力Fy从零开始，按照屈服极限的10％为载荷步步长，逐渐加载至屈服极限的70％，每个载荷步下记录试件X方向及Y方向应变，同时记录X方向及Y方向的超声波飞行时间tx、ty，一直加载到屈服极限的70％后再缓慢卸载；
S4.4、Fx按增加一个载荷步到屈服极限的10％，直到屈服极限的70％，X方向每增加一个载荷步后都重复S4.3中的操作。
进一步优化方案，步骤S6中管道环向应力其中P为管道内压，D为管道直径，t为管道壁厚。
进一步优化方案，步骤S7中管道的轴向应力
其中μ为管道材料泊松比，E为管道材料弹性模量。
一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法使用的超声探头，所述超声探头为上述技术方案任一项测量在役油气管道应力的方法的双向超声探头，双向超声探头包括安装块1、设置在安装块1一侧的探头安装块2，探头安装块2一侧设置有四个反射面201，探头安装块2另一侧设置有四个探头安装面202，反射面201与探头安装面202对应设置，反射面201与探头安装面202之间夹角为锐角。
进一步优化方案，探头安装块2为四棱锥结构，反射面201设置在四棱锥结构的底面上，探头安装面202设置在四棱锥结构的斜面上，安装块1上开设有若干磁铁安装孔101，磁铁安装孔101沿安装块1中心等间距分布，安装块1中心开设有穿线孔102，安装块1远离穿线孔102的一侧开设有探头安装槽103，探头安装槽103与穿线孔102连通，探头安装块2固定连接在探头安装槽103内。
进一步优化方案，探头安装块2为树脂。
通过超声探头可在两个互相垂直方向上发射并接收超声波脉冲的双向探头，可用于依次测量在两个方向上超声波脉冲从发射端沿管道表面到接收端所用的时间，且两个方向的测量互相独立。
一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法使用的试件，所述试件为上述技术方案任一项测量在役油气管道应力的方法的所述双向零应力拉伸试件，所述双向零应力拉伸试件包括试件本体3，试件本体3开设有至少四组孔，每组孔沿试件本体3的四个方向等间距分布，每组孔包括四个拉力孔301，拉力孔301呈V字形结构排布，位于内侧的相邻拉力孔301的间距大于位于外侧的相邻拉力孔301的间距，试件本体3上开设有应力分散孔302，应力分散孔302位于拉力孔301内侧，试件本体3上开设有通槽303，通槽303贯穿试件本体3边部，并连通应力分散孔302。通过试件本体3的结构设置可以使试件本体3与超声探头的贴合位置应力均匀分布，使测量结果更加准确。
进一步优化方案，试件本体3为调制处理且硬度为HRC50-55。
本发明测量过程：
(1)制作零应力拉伸试件
制作X70管线钢双向零应力拉伸试件，如图5所示，试件边缘尺寸为500×500mm，厚度为4mm，中间均匀拉伸区域面积为200×200mm，并在所述双向零应力拉伸试件一侧粘贴X方向和Y方向应变片。
(2)零应力拉伸试件X方向、Y方向声时测量
对双向零应力拉伸试件测量并记录拉伸试件中心点零应力状态下X方向和Y方向对应的声时t0x和t0y，探寻该超声探头对应的X方向、Y方向声时差值每次实验测量的X方向、Y方向零应力声时次数不少于10次，且每次需要在相同位置重复耦合测量。
(3)双向零应力试件拉伸实验
对双向零应力拉伸试件进行若干组双向拉伸实验，记录不同拉力状态下试件中心点的X方向和Y方向的应变εx、εy及对应的超声波飞行时间tx、ty；
根据x方向、y方向应变与超声波飞行时间测量结果,分别拟合x方向、y方向应变与超声波飞行时间变化量(声时变化量)之间的关系：
εx＝kxΔt
εy＝kyΔt
得到两个方向上的应变系数kx、ky；
(4)开展实验室内管道打压验证实验，利用双向超声探头测量管道轴向和环向声时，根据薄壁压力容器计算管道轴向应力、环向应力，应用公式 测量轴向应力，并与应变法测量结果及单向探头测量结果相比较，检验利用公式测量管道应力的可行性及准确性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作双向零应力拉伸试件，并在所述双向零应力拉伸试件一侧粘贴X方向和Y方向应变片，其中X方向为试件打磨方向和钢板轧制方向；
S2、使用双向超声探头耦合至S1中粘贴应变片的所述双向零应力拉伸试件另一侧；
S3、对步骤S2中耦合所述双向超声探头的所述双向零应力拉伸试件测量并记录所述拉伸试件零应力状态下X方向和Y方向对应的声时t0x和t0y，各自取平均值后，探寻所述双向超声探头对应的X方向、Y方向声时差值/>
S4、对步骤S2中耦合所述双向超声探头的所述双向零应力拉伸试件进行若干组双向拉伸实验；记录若干组拉力状态下的X方向和Y方向的应变εx、εy及对应的超声波飞行时间tx、ty；
S5、拟合出应变与超声波飞行时间的定量关系式εx＝kxΔt＝kx(tx-t0x)和εy＝kyΔt＝ky(ty-t0x+tc)，得到两个方向上的应变系数kx、ky，其中t0为零应力试件初始状态测得的超声波飞行时间；
S6、测量获得现场待测管段的管径、壁厚、内压，计算管道环向应力σy；
S7、利用步骤S6中计算得到的环向应力vy及现场测量的待测管道表面轴向超声波飞行时间tx'、环向超声波飞行时间ty'，计算管道的轴向应力σx的轴向应力其中μ为管道材料泊松比，E为管道材料弹性模量，P为管道内压，D为管道直径，t为管道壁厚。
2.根据权利要求1所述的一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，其特征在于，所述步骤S4中的每组实验拉伸实验包括如下步骤：
S4.1、沿拉伸方耦合所述双向超声探头，使超声波传播方向与所述双向零应力拉伸试件加载力方向相同；
S4.2、施加X方向的拉力Fx保持为零；
S4.3、Y方向上拉力Fy从零开始，按照屈服极限的10％为载荷步步长，逐渐加载至屈服极限的70％，每个载荷步下记录试件X方向及Y方向应变，同时记录X方向及Y方向的超声波飞行时间tx、ty，一直加载到屈服极限的70％后再缓慢卸载；
S4.4、Fx按增加一个载荷步到屈服极限的10％，直到屈服极限的70％，X方向每增加一个载荷步后都重复S4.3中的操作。
3.根据权利要求1所述的一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法，其特征在于，步骤S6中管道环向应力
4.一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法使用的超声探头，其特征在于，所述超声探头为权利要求1-3任一项测量在役油气管道应力的方法的所述双向超声探头，所述双向超声探头包括安装块(1)、设置在所述安装块(1)一侧的探头安装块(2)，所述探头安装块(2)一侧设置有四个反射面(201)，所述探头安装块(2)另一侧设置有四个探头安装面(202)，所述反射面(201)与所述探头安装面(202)对应设置，反射面(201)与所述探头安装面(202)之间夹角为锐角。
5.根据权利要求4所述的测量在役油气管道应力的方法使用的超声探头，其特征在于，所述探头安装块(2)为四棱锥结构，所述反射面(201)设置在所述四棱锥结构的底面上，所述探头安装面(202)设置在所述四棱锥结构的斜面上，所述安装块(1)上开设有若干磁铁安装孔(101)，所述磁铁安装孔(101)沿所述安装块(1)中心等间距分布，所述安装块(1)中心开设有穿线孔(102)，所述安装块(1)远离所述穿线孔(102)的一侧开设有探头安装槽(103)，所述探头安装槽(103)与所述穿线孔(102)连通，所述探头安装块(2)固定连接在所述探头安装槽(103)内。
6.根据权利要求4所述的测量在役油气管道应力的方法使用的超声探头，其特征在于，所述探头安装块(2)为树脂。
7.一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法使用的试件，其特征在于，所述试件为权利要求1-3任一项测量在役油气管道应力的方法的所述双向零应力拉伸试件，所述双向零应力拉伸试件包括试件本体(3)，所述试件本体(3)开设有至少四组孔，每组所述孔沿所述试件本体(3)的四个方向等间距分布，每组所述孔包括偶数个拉力孔(301)，所述拉力孔(301)呈V字形结构排布，位于内侧的相邻所述拉力孔(301)的间距大于位于外侧的相邻所述拉力孔(301)的间距，所述试件本体(3)上开设有应力分散孔(302)，所述应力分散孔(302)位于所述拉力孔(301)内侧，所述本体(3)上开设有通槽(303)，所述通槽(303)贯穿所述本体(3)边部，并连通所述应力分散孔(302)。
8.根据权利要求7所述的测量在役油气管道应力的方法使用的试件，其特征在于，所述试件本体(3)为调制处理且硬度为HRC50-55。
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