李林濤 孟濤 曾維國 吳登

中國特種設備檢測研究院

摘要：介紹了基于cosα法的X射線衍射測量管道表面應力技術，并進行了現場應用。結果表明，該方法為油氣管道表面應力在線檢測提供了一個較好的解決辦法。該技術所測表面應力反映的是微觀區域的應力，如何采用表層或近表層微觀區域應力評價管道安全狀況，建立相應的評價模型及評價標準，還需深入研究。

關鍵詞：油氣管道；地質沉降；表面應力； cosα法；X射線衍射

油氣管道受地質災害等因素影響，發生事故多為管道本體應力超限。如地質沉降使管道容易在沉降區域土體位移的作用下發生拉壓和扭曲變形，產生裂縫、拉斷等，導致管道薄弱處破裂、泄漏、起火或爆炸。因此，對存在或發生地質沉降區域的管道進行表面應力測量與監測，提高管道安全風險預警能力非常必要。

1  基于cosα法的 X射線衍射法

管道殘余應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，檢測標準也已完善，但該方法大多基于實驗室測量，相應儀器復雜，工業現場檢測應用較少。

X射線衍射法測量表面殘余應力利用布拉格定律，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建立起確定的關系。1961年德國E.Mchearauch依據布拉格定律及胡克定律提出了X射線應力測定的sin2ψ法，即應變(應力)與衍射晶面方位角ψ的正弦平方成函數關系。

1997年日本科學家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信息計算應力，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，使得現場測量和不規則形狀樣品測量成為了可能。cosα法應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狀信息即德拜環，見圖 1。根據有無應力存在時德拜環的偏離角α，通過胡克定律推導出以下應力方程：

 

圖 1 單次入射cosα 法原理示意圖

假定試樣表面平面應力狀態下，表面法線方向的剪切應力τ13、τ23為零，即殘余應力的計算表述為：

可以看出，應變(應力)與cosα成線性關系。

2  X射線衍射檢測技術應用

2.1  管道概況及檢測參數

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

基于cosα法的X射線衍射檢測技術，采用u-X360便攜式X射線應力檢測儀。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，打磨區域2 cm×2 cm，采用W2.5/4000目金剛石研磨膏進行表面拋光。

（3）透明膠帶貼出正方形待電解拋光區，面積為1 cm×1 cm，調節電解拋光電壓，進行電解拋光。

（4）調試u-X360便攜式X射線應力檢測儀，進行測量。

2.3  檢測結果與分析

2.3.1  管道檢測數據對比

每條管道檢測6處軸向應力，檢測位置見圖 2，檢測數據見圖 3。

圖 2 測點位置示意圖

圖 3 A、 B兩廠4條管道應力檢測數據

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

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

2.3.2  管道表面不同深度應力大小

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

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

圖 4 A廠A1、 A2管道測點7表面深度應力值

3  結論

（1）基于cosα法的X射線衍射檢測技術為在役油氣管道表面應力檢測提供了一個較好的檢測方向。通過檢測沉降區域及未沉降區域同類管道表面應力，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力隨深度增加而遞減，變化最劇烈的殘余應力存在于管體表面或近表層。

（3）基于cosα法的X射線衍射檢測技術反映的是微觀區域的應力，如何采用表層或近表層微觀區域應力評價管道安全狀況，建立相應的評價模型及評價標準，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檢驗檢測工作。聯系方式：13227871015，lintao68@163.com。