CN108168746A - 圆管在线应力的超声测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

圆管在线应力的超声测试装置及方法，涉及管道安全测试领域，为了解决现有测量管道缺陷的方法只能在管道已经存在缺陷损伤时才能测试到，无法进行预测，所采用的设备复杂昂贵、不便携带的问题。一对压电换能器沿待测圆管的轴向分布，另一对压电换能器沿待测圆管的环向分布，每对压电换能器中的一个压电换能器用于发射超声纵波，超声纵波以临界折射纵波即L_CR波的形式沿圆管传输，另一个压电换能器用于接收临界折射纵波，测量发射和接收超声波的时间间隔，采用温度补偿修正公式计算圆管轴向应力，采用管道弧度修正公式计算圆管环向应力。本发明适用于测量圆管在线应力。

Description

圆管在线应力的超声测试装置及方法

技术领域

本发明涉及管道安全测试领域，特别是涉及利用超声原理测试管道应力的测试技术。

背景技术

目前，我国陆上油气长输管道总长约13万公里，基本形成三纵四横覆盖全国的油气管网，油气管道已成为中国经济发展的重要命脉。早期建设的在役管道已陆续进入设计寿命后期，新建的油气管道越来越趋于更大口径、更高钢级、更高压力，同时由于长输油气管道所经过的地理环境复杂，并且输气管道由于山体滑坡、腐蚀、材料缺陷等内外原因导致管道局部实际承受力超过了其安全极限，进而形成缺陷，引发爆裂，甚至***，这种破坏没有任何先兆，难于预知，但后果十分严重。难以预知与防范的根因在于现场工程师无法清楚外表平静的管道，其内部材料实际应力状态是否临近或超过该种材料许用应力。而现有的管道安全测试方法主要有X射线、漏磁内测试方法，上述两种方法主要使用成像法来测试管道缺陷，只有在管道已经存在缺陷损伤时才能测试到，无法进行预测，而且所采用的设备复杂昂贵，不便携带。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有测量管道缺陷的方法只能在管道已经存在缺陷损伤时才能测试到，无法进行预测，所采用的设备复杂昂贵、不便携带的问题，从而提供圆管在线应力的超声测试装置及方法。

本发明所述的圆管在线应力的超声测试装置，该装置包括两对压电换能器、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块和低功耗处理器；

一对压电换能器沿待测圆管的轴向分布，另一对压电换能器沿待测圆管的环向分布，每对压电换能器中的一个压电换能器用于发射超声纵波，超声纵波以临界折射纵波即L_CR波的形式沿圆管传输，另一个压电换能器用于接收临界折射纵波；

时间测量电路模块，用于测量发射和接收超声波的时间间隔；

液晶显示及交互模块，用于参数设定及显示；

低功耗处理器，用于控制超声波发射的频率，读取发射和接收超声纵波的时间间隔并计算应力，还用于向液晶显示及交互模块发送显示信号。

优选的是，还包括两个有机玻璃楔块；

每对压电换能器通过一个有机玻璃楔块固定在待测圆管上，有机玻璃楔块与待测圆管吻合的面为凹面，每个压电换能器与相应有机玻璃楔块凹面的法线成第一临界角。

本发明所述的圆管在线应力的超声测试方法，包括实验室标定步骤和现场测试步骤：

实验室标定步骤用于标定零应力时L_CR波飞行时间t₀、材料应力系数K，获得温度补偿修正公式和管道弧度修正公式；还用于将获得的结果存储于低功耗处理器；

现场测试步骤具体为：

步骤二一、耦合压电换能器的探头；

步骤二二、参数设定；

步骤二三、采用圆管在线应力的超声测试装置进行测试，获得发射和接收超声纵波的时间间隔；

步骤二四、根据发射和接收超声纵波的时间间隔，采用温度补偿修正公式计算圆管轴向应力，采用管道弧度修正公式计算圆管环向应力。

优选的是，现场测试步骤中在步骤一之前还包括如下步骤：

对被测圆管表面进行打磨，使其表面粗糙度满足要求。

优选的是，实验室标定步骤具体为：

步骤一一、选取与被测圆管相同材质的试件作为标定试件；

步骤一二、对试件进行处理得到零应力试件；

步骤一三、标定零应力时L_CR波传输时间t₀；

步骤一四、标定材料应力系数K；

步骤一五、进行温度补偿修正，得到温度补偿修正公式；进行管道弧度修正，得到管道弧度修正公式。

优选的是，步骤一二具体为：对试件进行表面处理和热处理得到零应力试件：

对试件表面进行打磨，使其表面粗糙度满足要求，再对试件进行热处理，将试件加热至480℃，恒温2小时，然后随炉冷却。

优选的是，步骤一三具体为：

在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹固定量的耦合剂，并固定探头；

将零应力试件放置在标定温度下的恒温箱内，等待5分钟-10分钟；

每隔固定时间测量一次发射和接收超声纵波的时间间隔即零应力时L_CR波传输时间t₀，当t₀变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

耦合状态稳定后，多次测量t₀，求取平均值作为零应力时L_CR波传输时间t₀。

优选的是，步骤一四具体为：

将试件固定在拉伸试样机上，试件温度保持恒定；

在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹固定量的耦合剂，并固定探头，超声纵波加载方向与拉伸试样机加载的应力方向平行；

每隔固定时间测量一次发射和接收超声纵波的时间间隔t₀，当t₀变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

耦合状态稳定后，拉伸试样机开始加载多组应力，计算每组应力变化量Δσ下相对于零应力状态的声时差Δt；

对Δσ-Δt进行拟合，Δσ＝KΔt，拟合出的比例系数即为材料应力系数K。

优选的是，步骤一五的温度补偿修正公式为：

σ＝K[t-(0.41405T-0.87406)]

其中，T为管道温度，σ为温度补偿后的圆管应力，t为发射和接收超声纵波的时间间隔。

优选的是，步骤一五的管道弧度修正公式为：

其中，σ为管道弧度补偿后的圆管应力，R为圆管外表面曲率半径，L为平面试件时圆管内的声程，V_couplant为耦合剂中的声速。

本发明的超声测试方法具有频率高，波长短，具有方向性好，穿透能力强的特点，能反映材料内部实际应力状态，是测试管道内部应力的有效方法，但影响超声波准确测试的因素众多，如标定、测试方法的不规范就会直接影响测试结果，在测量圆管环形应力时，如不考虑曲面的影响，也会直接影响测量的准确性。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：基于大量实验结果和反复的优化，提出圆管在线应力的超声测试装置及方法，该方法对实验室标定和现场测试步骤进行了详细的规定，本测试方法能有效地减少测量误差，提高测量精度，为实验室科研人员和现场工程师提供有效的应力测试方法，并且提出的温度和圆管弧度修正方法，进一步提高了测量结果的准确性。

附图说明

图1是圆管在线应力的超声测试方法的流程图；

图2是标定圆管的结构示意图；

图3是压电换能器固定在圆管上的结构示意图；

其中，1为有机玻璃楔块，2为压电换能器，3为被测圆管，4为折射横波，5为临界折射纵波，θ_s为折射横波的角度，θL为临界折射纵波的角度；

图4中(a)是平面耦合状态示意图，(b)是曲面耦合状态示意图；

图5是两对压电换能器固定在圆管上的示意图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

圆管在线应力的超声测试装置，该装置包括两对压电换能器、两个有机玻璃楔块、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块和低功耗处理器；

一对压电换能器沿待测圆管的轴向分布，另一对压电换能器沿待测圆管的环向分布，每对压电换能器中的一个压电换能器用于发射超声纵波，超声纵波以临界折射纵波即L_CR波的形式沿圆管传输，另一个压电换能器用于接收临界折射纵波，并对接收信号进行波形放大及整形；

时间测量电路模块，用于测量发射和接收超声波的时间间隔；

液晶显示及交互模块，用于参数设定及显示；

低功耗处理器，用于控制超声波发射的频率，读取发射和接收超声纵波的时间间隔并计算应力，还用于向液晶显示及交互模块发送显示信号。

电源管理模块；电源管理模块用于供电；

每对压电换能器通过一个有机玻璃楔块固定在待测圆管上，有机玻璃楔块与待测圆管吻合的面为凹面，每个压电换能器与相应有机玻璃楔块凹面的法线成第一临界角。

材料数据库存储于低功耗处理器，用于计算应力，数据库内包含已标定材料的应力系数K，标定温度下零应力L_CR波飞行时间t₀，以及标定温度T。

液晶显示及交互模块的主界面包含“单次单向”、“单次双向”、“连续单向”、“连续双向”四种测量模式，“温度补偿”功能，“慢”、“中”、“快”三种测量频率，及测试数据和结果显示板块

圆管在线应力的超声测试方法，包括实验室标定步骤和现场测试步骤：

实验室标定步骤：

第1步为被测材料取材。标定试件选用与被测圆管相同材质的圆管。标定圆管形状和尺寸参考国家标准GB/T 32073-2015，如图2所示，其中H₁为40mm,H₂为198mm,H₃为56mm,R为20mm。

第2步为零应力试件处理。所取试件在加工制作工程都会存在一定的残余应力，因此要获得零应力试件必须对试件进行一定的表面处理和热处理，来获得零应力试件以测量超声波传播的物性参数作为后面计算的基准。对试件表面进行打磨，使其表面粗糙度满足GB/T 1031-2009规定的抛光标准，一般粗糙度小于10μm。同时对试件进行热处理，消除试块内的残余应力方法参考GB/T 16923-2008，将试件加热至480℃，恒温2小时，然后随炉冷却。经过表面处理和热处理后的试件可认定是零应力试件。

第3步为标定零应力时L_CR波传输时间t₀。参考国家标准GB/T 32073-2015，超声波测试应力的计算公式如公式(1)所示。采用超声波法所测得声时差Δt与材料已标定应力系数K的乘积计算得出被测试件的应力值。因此，应在实验室内准确标定零应力时L_CR波传输时间t₀和应力系数K。

σ＝K(t-t₀)＝KΔt (1)

其中：σ是所测应力值；K是材料应力系数；t0是零应力下LCR波传输时间；t是应力值为σ情况下LCR波传输时间，Δt为相对于零应力状态的声时差。

零应力时L_CR波传输时间t₀标定步骤为：

a)连接圆管在线应力的超声测试装置；

b)使用注射器在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹5ml医用B超耦合剂；

c)将零应力试件放置在2℃恒温箱内，等待5-10分钟；

d)采用圆管在线应力的超声测试装置单次测量模式，每隔15秒测量一次，当测量结果变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

e)耦合状态稳定后，采用单次测量模式，每隔1分钟测量一次，至少测量3组，取平均值得到零应力时L_CR波飞行时间t₀。

第4步为标定应力系数K。如公式(1)所示，材料应力系数K是应力随声时差的变化率。应力系数K的标定步骤为：

a)将零应力试件固定在拉伸试样机上；

b)连接圆管在线应力的超声测试装置；

c)使用注射器在在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹5ml医用B超耦合剂，超声纵波加载方向与拉伸试样机加载的应力方向平行；

d)等待5min-10min，采用圆管在线应力的超声测试装置的单次测量模式，每隔15秒测量一次，当测量结果变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

e)开始加载，控制拉伸试样机等间距加载不少于八组应力，最大加载应力不超过标定试件材料屈服强度的70％，计算每组加载应力下相对于零应力状态的声时差Δt；

f)对应力变化量Δσ数据和声时差Δt进行拟合，两者呈现很好的线性相关性，对Δσ-Δt进行拟合，拟合出的比例系数即为应力系数K。

第5步为温度补偿修正。实验室内部做的实验一般都处于一个恒温之下，但实际使用当中，无法保证实际环境的温度与实验室相同，因此需要对温度进行一定程度的修正。将压电换能器探头和零应力试件置于可控恒温箱内，调节温度值，温度每增加2℃，保温5-10分钟，待液晶显示及交互模块上显示的箱内温度基本恒定，测试一次，温度的变化范围为2-38℃。将试验结果计算拟合，代入公式(1)中，得到温度补偿修正公式(2)：

σ＝K[t-(0.41405T-0.87406)] (2)

其中T为圆管温度，σ为温度补偿后的圆管应力，t为发射和接收超声纵波的时间间隔。

第6步是管道弧度修正。如图4所示，由于压电换能器的探头探测面是平面，在测量圆管轴向应力时，不受曲面弧度的影响，当测量圆管环向弧面的内在环向应力时，存在以下误差来源：1、弧度面造成L_CR第一临界入射角的变化；2、L_CR应力测试实际路径的变化。因此需要考虑管道曲面弧度的影响并进行修正。平面耦合状态时，L_CR的路径为A→B，曲面耦合状态时L_CR的路径为A→C→D→B。

对于曲面耦合状态，管道外表面曲率半径为R，耦合剂中声速为V_couplant，基于平面几何知识与超声波传播特征，推导得到曲面耦合状态下的应力与传播声时变化的表达式：

现场测试步骤：

第1步是对被测圆管表面打磨，使其表面粗糙度满足GB/T 1031-2009规定的抛光标准，一般粗糙度小于10μm。

第2步是耦合探头。使用注射器在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹5ml医用B超耦合剂，放置压电换能器，等待5-10分钟，采用圆管在线应力的超声测试装置单次测量模式，每隔15秒测量一次，当测量结果变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定。

第3步是参数设定。在材料数据库界面选择被测材料；在液晶显示及交互模块，从“单次单向”、“单次双向”、“连续单向”、“连续双向”四种测量模式中根据需要选择一种；根据现场需要选择是否打开“温度补偿”功能；从“慢”、“中”、“快”选择一种测量频率。

第4步是临界折射纵波(L_CR波)测试。操作圆管在线应力的超声测试装置对被测圆管进行测试。

第5步是温度补偿修正、管道弧度修正。结合公式(2)和(3)，分别对测试结果进行温度和弧度修正。

第6步是打印测试报告。将计算结果打印。

实施例：

如图5所示，被测工件为X60钢管，管道公称直径DN400，外径407mm，内径391mm，壁厚8mm，长4m，其中两端封死，左侧留有充注口，供充水加压，通过管道试压泵给管道注水加压，以1MPa为步长，分步将水压增加至8MPaG，每一步使用本发明的超声测试方法测量轴向、环向应力值。同时在被测区域紧临处粘贴应变花，具体实施步骤：

标定零应力时L_CR波飞行时间t₀、材料应力系数k、温度补偿修正公式、管道弧度修正公式；现场测试步骤具体为：被测工件表面处理、耦合探头、设置参数、临界折射纵波测试、温度、管道弧度修正、打印测试报告。

1)按照图2所示，制作X60标准试件；

2)对试件进行表面处理和热处理，制作标定试件；

3)在实验室内按照标定步骤对X60零应力试件标定零应力L_CR波飞行时间t₀；

4)在实验室内按照标定步骤对X60零应力试件标定材料应力系数K；

5)将标定得到的零应力L_CR波飞行时间t₀和应力系数K存入圆管在线应力的超声测试装置；

6)对被测圆管被测区域打磨处理，要求粗糙度符合要求，小于10μm；

7)在被测区域涂抹耦合剂，耦合压电换能器的探头，等待5-10min直至达到稳定耦合状态；

8)对圆管在线应力的超声测试装置进行参数设置。在材料数据库界面选择X60材料；在装置测试主界面，选择“单次双向”测量模式；打开“温度补偿”功能；选择“慢”测量频率。

9)通过管道试压泵给管道注水加压，以1MPa为步长，分步将水压增加至8MPaG，每一步分别使用本超声测试方法测量轴向、环向应力值；

10)利用公式(2)对测试轴向应力进行温度补偿修正；利用公式(3)对测试环向应力进行管道弧度修正；

11)将最后的测试结果打印。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.圆管在线应力的超声测试装置，其特征在于，该装置包括两对压电换能器、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块和低功耗处理器；

一对压电换能器沿待测圆管的轴向分布，另一对压电换能器沿待测圆管的环向分布，每对压电换能器中的一个压电换能器用于发射超声纵波，超声纵波以临界折射纵波即L_CR波的形式沿圆管传输，另一个压电换能器用于接收临界折射纵波；

时间测量电路模块，用于测量发射和接收超声波的时间间隔；

液晶显示及交互模块，用于参数设定及显示；

低功耗处理器，用于控制超声波发射的频率，读取发射和接收超声纵波的时间间隔并计算应力，还用于向液晶显示及交互模块发送显示信号。

2.根据权利要求1所述的圆管在线应力的超声测试装置，其特征在于，还包括两个有机玻璃楔块；

每对压电换能器通过一个有机玻璃楔块固定在待测圆管上，有机玻璃楔块与待测圆管吻合的面为凹面，每个压电换能器与相应有机玻璃楔块凹面的法线成第一临界角。

3.圆管在线应力的超声测试方法，基于上述任意一项权利要求所述的圆管在线应力的超声测试装置实现，其特征在于，包括实验室标定步骤和现场测试步骤：

实验室标定步骤用于标定零应力时L_CR波飞行时间t₀、材料应力系数K，获得温度补偿修正公式和管道弧度修正公式；还用于将获得的结果存储于低功耗处理器；

现场测试步骤具体为：

步骤二一、耦合压电换能器的探头；

步骤二二、参数设定；

步骤二三、采用圆管在线应力的超声测试装置进行测试，获得发射和接收超声纵波的时间间隔；

步骤二四、根据发射和接收超声纵波的时间间隔，采用温度补偿修正公式计算圆管轴向应力，采用管道弧度修正公式计算圆管环向应力。

4.根据权利要求3所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，现场测试步骤中在步骤一之前还包括如下步骤：

对被测圆管表面进行打磨，使其表面粗糙度满足要求。

5.根据权利要求3所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，实验室标定步骤具体为：

步骤一一、选取与被测圆管相同材质的试件作为标定试件；

步骤一二、对试件进行处理得到零应力试件；

步骤一三、标定零应力时L_CR波传输时间t₀；

步骤一四、标定材料应力系数K；

步骤一五、进行温度补偿修正，得到温度补偿修正公式；进行管道弧度修正，得到管道弧度修正公式。

6.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一二具体为：对试件进行表面处理和热处理得到零应力试件：

对试件表面进行打磨，使其表面粗糙度满足要求，再对试件进行热处理，将试件加热至480℃，恒温2小时，然后随炉冷却。

7.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一三具体为：

在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹固定量的耦合剂，并固定探头；

将零应力试件放置在标定温度下的恒温箱内，等待5分钟-10分钟；

每隔固定时间测量一次发射和接收超声纵波的时间间隔即零应力时L_CR波传输时间t₀，当t₀变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

耦合状态稳定后，多次测量t₀，求取平均值作为零应力时L_CR波传输时间t₀。

8.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一四具体为：

将试件固定在拉伸试样机上，试件温度保持恒定；

在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹固定量的耦合剂，并固定探头，超声纵波加载方向与拉伸试样机加载的应力方向平行；

每隔固定时间测量一次发射和接收超声纵波的时间间隔t₀，当t₀变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

耦合状态稳定后，拉伸试样机开始加载多组应力，计算每组应力变化量Δσ下相对于零应力状态的声时差Δt；

对Δσ-Δt进行拟合，Δσ＝KΔt，拟合出的比例系数即为材料应力系数K。

9.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一五的温度补偿修正公式为：

σ＝K[t-(0.41405T-0.87406)]

其中，T为圆管温度，σ为温度补偿后的圆管应力，t为发射和接收超声纵波的时间间隔。

10.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一五的管道弧度修正公式为：

其中，σ为管道弧度补偿后的圆管应力，R为圆管外表面曲率半径，L为平面试件时圆管内的声程，V_couplant为耦合剂中的声速。