引言

我國(guó)在2020年底，全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到16.9萬(wàn)公里，其中原油、成品油、天然氣管道里程分別為3.2、3.3、10.4萬(wàn)公里。隨著國(guó)內(nèi)油氣管道建設(shè)速度不斷加快，受制于管道沿線地質(zhì)災(zāi)害、建設(shè)質(zhì)量、運(yùn)行壓力等現(xiàn)實(shí)因素，輸氣管道近些年來(lái)事故多發(fā)。多數(shù)事故為管道本體應(yīng)力超限，導(dǎo)致管道薄弱處破裂、泄漏、起火或爆炸[1]。油氣田內(nèi)部站場(chǎng)常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害形式為地質(zhì)沉降、滑坡等，管道容易在沉陷區(qū)域土體位移的作用下發(fā)生拉壓和扭曲變形，產(chǎn)生裂縫、拉斷等形式的破壞，給輸油管道的安全造成了極大的威脅。

因此基于以上，對(duì)存在可能或已發(fā)生地質(zhì)沉降區(qū)域的管道進(jìn)行表面殘余應(yīng)力檢測(cè)，監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力，提高管道安全管理及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力具有重要意義。

殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)概述

殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)開(kāi)始于上世紀(jì)初。根據(jù)是否破壞被測(cè)試樣，其檢測(cè)方法分為有損檢測(cè)與無(wú)損檢測(cè)。有損檢測(cè)主要原理是把試件上被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力給予釋放，并采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量測(cè)出釋放應(yīng)變而計(jì)算出原有殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的釋放方法是通過(guò)機(jī)械切割分離，在試件表面鉆一小孔，對(duì)試件進(jìn)行取條、撥層等方法，因此它是一種破壞性或半破壞性的測(cè)量方法。其中尤以鉆孔法研究較為成熟，基本原理為在試件表面上鉆一小孔，使得孔的周圍部分應(yīng)力釋放從而產(chǎn)生相應(yīng)的位移和應(yīng)變，并用粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，最后得到鉆孔處深度方向上的平均殘余應(yīng)力。有損檢測(cè)法特點(diǎn)為可靠、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確性較高，但檢測(cè)過(guò)程因需要鉆孔、取條等會(huì)對(duì)試件表面存在破壞及半破壞，特別是受限于油田管道等承壓設(shè)備，對(duì)設(shè)備有極高的承壓要求，不能以犧牲承壓能力而進(jìn)行檢測(cè)，因此其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。無(wú)損測(cè)量法主要有磁性法、超聲波法、中子衍射法、X射線衍射法等。磁性法的基本原理是基于鐵磁性材料（如低碳鋼等）的磁致伸縮效應(yīng)，即鐵磁性材料在磁化時(shí)會(huì)發(fā)生，尺寸變化；反過(guò)來(lái)鐵磁體在應(yīng)力作用下其磁化狀態(tài)（導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等）也會(huì)發(fā)生變化，因此通過(guò)測(cè)量磁性變化可以測(cè)定鐵磁材料中的應(yīng)力。磁性測(cè)定法對(duì)工件表面質(zhì)量要求低但測(cè)量結(jié)果受多種因素影響，可靠性和精度差測(cè)量值標(biāo)定困難，對(duì)材質(zhì)較為敏感，僅能用于鐵磁材料的測(cè)量[2]。超聲波法測(cè)量殘余應(yīng)力技術(shù)是基于聲彈性理論，即在彈性介質(zhì)中傳播的超聲波波速會(huì)因材料內(nèi)部應(yīng)力的影響產(chǎn)生微小變化[3]。但是因?yàn)槌暡úㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)，而試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的波速變化又很微小，且材料的形狀和結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其測(cè)量精度較低，且只能測(cè)到試件內(nèi)部的平均殘余應(yīng)力[4]。中子衍射法是測(cè)量材料內(nèi)部應(yīng)力的一種新興方法，中子的穿透能力比x射線強(qiáng)，可以得到材料沿厚度方向的殘余應(yīng)力，但由于中子源較難獲得，并且在中子衍射法中需要先測(cè)出自由狀態(tài)下晶體晶格原子面間距或布拉格角，因此用中子衍射法測(cè)量實(shí)際殘余應(yīng)力時(shí)仍存在一定的困難[5]。X射線衍射法其理論相對(duì)成熟，相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也已完善，如《無(wú)損檢測(cè) Ｘ射線應(yīng)力測(cè)定方法》GB∕T 7704-2017，但該方法大多基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，相應(yīng)儀器復(fù)雜，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用較少。

X射線衍射法測(cè)量表面殘余應(yīng)力原理

X射線衍射法測(cè)量表面殘余應(yīng)力利用布拉格定律，X射線波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d、衍射角2θ之間關(guān)系滿足布拉格方程：

（1）

在已知X射線波長(zhǎng)λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測(cè)量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關(guān)系。當(dāng)材料中有應(yīng)力存在時(shí)，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，導(dǎo)致衍射峰發(fā)生偏移，通過(guò)測(cè)量衍射峰的偏移程度，即殘余應(yīng)變，通過(guò)胡克定律由殘余應(yīng)變計(jì)算殘余應(yīng)力值。

1961年德國(guó)的E.Mchearauch提出了X射線應(yīng)力測(cè)定的sin2ψ法，即應(yīng)變（應(yīng)力）與衍射晶面方位角ψ的正弦平方成函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖1，應(yīng)力方程為：

（2）

εψ的量值可以用衍射晶面間距的相對(duì)變化來(lái)表示，且與衍射峰位移聯(lián)系起來(lái)，即：

（3）

式中θ0為無(wú)應(yīng)力試樣衍射峰的布拉格角，θψ為有應(yīng)力試樣衍射峰位的布拉格角。經(jīng)過(guò)換算，可得到：

其中K是只與材料本質(zhì)、選定衍射面HKL有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)測(cè)量的樣品是同一種材料，而且選定的衍射面指數(shù)相同時(shí)，K為定值，稱為應(yīng)力系數(shù)。M是（2θ）-sin2ψ直線的斜率，對(duì)同一衍射面HKL，選擇一組ψ值（0°、15°、30°、45°），測(cè)量相應(yīng)的（2θ）ψ以（2θ）-sin2ψ作圖，并以最小二乘法求得斜率M，就可計(jì)算出應(yīng)力（φ是試樣平面內(nèi)選定主應(yīng)力方向后，測(cè)得的應(yīng)力與主應(yīng)力方向的夾角）。由以上可看出當(dāng)K、M均小于0或均大于0時(shí)，為拉應(yīng)力，反之則為壓應(yīng)力，而M=0時(shí)無(wú)應(yīng)力存在。

圖1  sin2ψ法原理示意圖

1997年日本科學(xué)家SASAKI等提出用單次入射的方法在試樣和面陣探測(cè)器相對(duì)位置固定的情況下，通過(guò)單次曝光獲得的德拜環(huán)信息計(jì)算應(yīng)力，方程變量為cosα，該方法也被稱為單次入射cosα法，簡(jiǎn)稱為cosα法。2012年起日本制造商開(kāi)始向市場(chǎng)上提供商業(yè)化的cosα法應(yīng)力儀。該殘余應(yīng)力分析儀利用圓形全二維探測(cè)器獲取X射線在給定角度入射后的全部衍射德拜環(huán)，從而擺脫了傳統(tǒng)X射線殘余應(yīng)力分析儀的測(cè)試局限，使得真正的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和不規(guī)則形狀樣品測(cè)量成為了可能。這款全新殘余應(yīng)力分析儀在實(shí)際使用中操作十分簡(jiǎn)單，單角度一次入射即可獲取完整德拜，在整個(gè)德拜環(huán)上可以采集多達(dá)500個(gè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并最多可用125個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)擬合計(jì)算殘余應(yīng)力[6]。

cosα法應(yīng)力儀采用的是中間開(kāi)孔的面陣探測(cè)器，X射線穿過(guò)中心孔照射到樣品上，探測(cè)器在相對(duì)于樣品的固定角度和距離上捕獲衍射峰的環(huán)狀信息即德拜環(huán)，見(jiàn)圖2~4。根據(jù)有無(wú)應(yīng)力存在時(shí)德拜環(huán)的偏離角α，通過(guò)胡克定律推導(dǎo)出以下應(yīng)力方程：

假定試樣表面平面應(yīng)力狀態(tài)下，表面法線上的剪切應(yīng)力τ13、τ23為零，即殘余應(yīng)力的計(jì)算表述為：

因此從以上公式可看出，應(yīng)變與cosα成線性關(guān)系。

表面殘余應(yīng)力在X射線衍射法中的表現(xiàn)形式

習(xí)慣將第一類內(nèi)應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。一般英、美文獻(xiàn)中把第一類內(nèi)應(yīng)力稱為“宏觀應(yīng)力”（Macrostress），把第二類和第三類內(nèi)應(yīng)力合稱為“微觀應(yīng)力”（Microstress）。殘余應(yīng)力可以認(rèn)為是第一類內(nèi)應(yīng)力的工程名稱。

內(nèi)應(yīng)力是指沒(méi)有外力或外力矩作用而在物體內(nèi)部存在并自身保持平衡的應(yīng)力。依據(jù)對(duì)晶體的X射線衍射現(xiàn)象的不同，可將內(nèi)應(yīng)力分為三類：

（1）第I類內(nèi)應(yīng)力：宏觀尺寸范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)變導(dǎo)致原子間晶面間距變化，引起X射線譜線峰位移；

（2）第II類內(nèi)應(yīng)力：幾個(gè)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力，應(yīng)力的作用與平衡范圍較小，引起衍射譜線寬化；

（3）第III類內(nèi)應(yīng)力：一個(gè)晶粒晶胞尺寸數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力，引起衍射譜線強(qiáng)度下降。

圖5 內(nèi)應(yīng)力結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

基于cosα法的X射線衍射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

5.1試樣及技術(shù)參數(shù)

檢測(cè)材料各選取某2座凈化廠（簡(jiǎn)稱為A、B廠）4條在役放空管道進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測(cè)，其中A廠放空管道存在地基沉降，管道規(guī)格為φ168×7.5mm，管道材質(zhì)為20#鋼；B廠管道未發(fā)生沉降。A廠的2條管道分別與B廠的2條管道走向、規(guī)格、介質(zhì)、功能、運(yùn)行條件等一致?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備主要有2臺(tái)，一臺(tái)是電解拋光機(jī)，另一臺(tái)是型號(hào)為u-X360的便攜式X射線應(yīng)力檢測(cè)儀，測(cè)量方法是基于cosα法的X射線衍射檢測(cè)技術(shù)。測(cè)量參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 X射線應(yīng)力檢測(cè)儀測(cè)量參數(shù)

表2 電解拋光儀拋光參數(shù)

5.1檢測(cè)方法

（1）除漆劑除去表面防腐油漆，露出管材本體。

（2）采用1000目砂紙手工打磨除去管體表面氧化層，打磨區(qū)域面積2cm×2cm，采用W2.5/4000目金剛石研磨膏進(jìn)行表面拋光。

（3）透明膠帶貼出正方形的待電解拋光區(qū)，面積為1cm×1cm，調(diào)節(jié)電解拋光儀電壓，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行電解拋光。

（4）調(diào)試u-X360的便攜式X射線應(yīng)力檢測(cè)儀，對(duì)電解區(qū)域進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。

5.3檢測(cè)結(jié)果與分析

5.3.1兩座凈化廠管道檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)A、B廠的放空管線進(jìn)行檢測(cè)，選取A、B廠相同位置的4條管線，A廠的a、b管線存在沉降，B廠的a、b管線不存在沉降。每條管線檢測(cè)6處軸向應(yīng)力。檢測(cè)位置示意圖見(jiàn)圖6。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7、圖8。

圖6 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

由圖7，圖8可看出，A、B兩廠4條管道表面殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且圖中趨勢(shì)可以看出，A廠管道所受拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)位置大于B廠管道。

從X射線衍射的原理可以看出，一切影響管道表面晶體間距的因素均可影響管道表面殘余應(yīng)力大小，同時(shí)X射線衍射檢測(cè)的表面應(yīng)力為第一、二、三類內(nèi)應(yīng)力的綜合狀態(tài)。這包括管道加工制造過(guò)程對(duì)表面的影響，如冷軋和熱軋過(guò)程中產(chǎn)生的表面應(yīng)力等，管道焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，如焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力等，內(nèi)壓對(duì)管道表面應(yīng)力的影響，檢測(cè)時(shí)溫度的影響等各種因素。四條管道材質(zhì)，處理狀態(tài)，焊接工藝，檢測(cè)環(huán)境，檢測(cè)時(shí)的介質(zhì)狀態(tài)等因素均相同，由此造成的應(yīng)力差基本可判定為地質(zhì)沉降引起的，基本符合現(xiàn)場(chǎng)情況，即A廠管道存在不均勻沉降，引起管道表面應(yīng)力變化。

同時(shí)，圖7、圖8中可以看出，隨著檢測(cè)位置的延伸，其中由測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)2，測(cè)點(diǎn)5到測(cè)點(diǎn)6兩廠管道變化趨勢(shì)相同，其余測(cè)點(diǎn)3、4、5變化規(guī)律不明顯，因測(cè)點(diǎn)3、4、5均位于直管段，沉降對(duì)該區(qū)域影響造成。

5.3.2不同深度下應(yīng)力的檢測(cè)

選取與a、b管道相同材質(zhì)（20#鋼）的加工試樣進(jìn)行不同時(shí)間的電解拋光，其中試樣尺寸為：50×25×2.55mm。試樣待電解拋光區(qū)域原始壁厚為2.55mm，經(jīng)過(guò)10秒、60秒、240秒三次不同時(shí)間下的拋光，測(cè)得剩余厚度分別為2.55mm、2.43mm、2.38mm，經(jīng)計(jì)算平均電解腐蝕速率為0.7μm/s。在上述時(shí)間范圍內(nèi)，電解拋光剝層厚度在幾微米到幾百微米的范圍內(nèi)。

選取A廠的a、b管道，在其上選取兩點(diǎn)，位置見(jiàn)圖6中測(cè)點(diǎn)7點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)械拋光后，對(duì)不同電解時(shí)間下的表面應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，由圖8、圖9可以看出，在不同的電解拋光時(shí)間下，所測(cè)應(yīng)力成梯度降低趨勢(shì)。即隨著電解拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)管體表面形成了逐層剝離，所測(cè)應(yīng)力實(shí)際反映了管體表面不同深度的應(yīng)力大小。

從圖8、圖9中數(shù)據(jù)可以看出，管體表面在加工過(guò)程中經(jīng)受的外力和變形，遭遇的溫度變化，以及自身發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化或相變，沉降產(chǎn)生的應(yīng)變等綜合因素下，表層應(yīng)力明顯區(qū)別于內(nèi)部應(yīng)力，綜合因素下引起的效應(yīng)都比其內(nèi)部強(qiáng)烈。因此，最大的或變化最劇烈的應(yīng)力往往存在于管體表面或近表層，管道制造過(guò)程產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力，或者所引起的顯著應(yīng)力梯度，都集中于表層或次表層，管體壁厚深層應(yīng)力強(qiáng)度效應(yīng)遞減，遞減過(guò)程較為劇烈。

從以上數(shù)據(jù)也可看出，在役狀態(tài)管體總是表面承受最大的應(yīng)力，在不考慮管道焊接缺陷，管壁原本存在的裂紋等缺陷，管壁存在夾層等情況下，受管道沉降應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋源相應(yīng)產(chǎn)生于接近表面的區(qū)域。所以，雖然X射線法測(cè)試的深度比較淺，但表層的應(yīng)力往往引起不容忽視。

圖8 A凈化廠的a管道測(cè)點(diǎn)7深度方向的應(yīng)力值

圖9 A凈化廠的b管道測(cè)點(diǎn)7深度方向的應(yīng)力值

6 結(jié)論

（1）在役油氣管道表面應(yīng)力檢測(cè)中，相對(duì)于有損檢測(cè)技術(shù)，基于cosα法的X射線衍射檢測(cè)技術(shù)提供了一個(gè)較好的檢測(cè)方向。

（2）采用基于cosα法的X射線衍射檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)沉降區(qū)域及未沉降區(qū)域的同類管道表面應(yīng)力檢測(cè)，沉降區(qū)域管道表面應(yīng)力明顯大于未發(fā)生沉降區(qū)域，較好的反映管道受力情況。

（3）在管體表面微米級(jí)深度方向，表面應(yīng)力隨深度的增加而遞減，最大的或變化最劇烈的殘余應(yīng)力往往存在于管體表面或近表層。

（4）雖然采用基于cosα法的X射線衍射檢測(cè)技術(shù)為表面應(yīng)力檢測(cè)提供了方向，反應(yīng)的是微觀區(qū)域的應(yīng)力，如何采用表層或近表層微觀區(qū)域應(yīng)力評(píng)價(jià)管道所受宏觀應(yīng)力，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型，還需繼續(xù)研究。