引言

我國在2020年底，全國油氣管網規模預計將達到16.9萬公里，其中原油、成品油、天然氣管道里程分別為3.2、3.3、10.4萬公里。隨著國內油氣管道建設速度不斷加快，受制于管道沿線地質災害、建設質量、運行壓力等現實因素，輸氣管道近些年來事故多發。多數事故為管道本體應力超限，導致管道薄弱處破裂、泄漏、起火或爆炸[1]。油氣田內部站場常見地質災害形式為地質沉降、滑坡等，管道容易在沉陷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，對存在可能或已發生地質沉降區域的管道進行表面殘余應力檢測，監測管道應力，提高管道安全管理及風險預警能力具有重要意義。

殘余應力測量技術概述

殘余應力測量技術開始于上世紀初。根據是否破壞被測試樣，其檢測方法分為有損檢測與無損檢測。有損檢測主要原理是把試件上被測點的應力給予釋放，并采用電阻應變計測量測出釋放應變而計算出原有殘余應力。殘余應力的釋放方法是通過機械切割分離，在試件表面鉆一小孔，對試件進行取條、撥層等方法，因此它是一種破壞性或半破壞性的測量方法。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力釋放從而產生相應的位移和應變，并用粘貼應變片進行測量，最后得到鉆孔處深度方向上的平均殘余應力。有損檢測法特點為可靠、經濟、準確性較高，但檢測過程因需要鉆孔、取條等會對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備，對設備有極高的承壓要求，不能以犧牲承壓能力而進行檢測，因此其應用范圍受到了一定的限制。無損測量法主要有磁性法、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，即鐵磁性材料在磁化時會發生，尺寸變化；反過來鐵磁體在應力作用下其磁化狀態（導磁率和磁感應強度等）也會發生變化，因此通過測量磁性變化可以測定鐵磁材料中的應力。磁性測定法對工件表面質量要求低但測量結果受多種因素影響，可靠性和精度差測量值標定困難，對材質較為敏感，僅能用于鐵磁材料的測量[2]。超聲波法測量殘余應力技術是基于聲彈性理論，即在彈性介質中傳播的超聲波波速會因材料內部應力的影響產生微小變化[3]。但是因為超聲波波長較長，而試件內部的殘余應力引起的波速變化又很微小，且材料的形狀和結構也會對測量結果產生影響，導致其測量精度較低，且只能測到試件內部的平均殘余應力[4]。中子衍射法是測量材料內部應力的一種新興方法，中子的穿透能力比x射線強，可以得到材料沿厚度方向的殘余應力，但由于中子源較難獲得，并且在中子衍射法中需要先測出自由狀態下晶體晶格原子面間距或布拉格角，因此用中子衍射法測量實際殘余應力時仍存在一定的困難[5]。X射線衍射法其理論相對成熟，相應的檢測標準也已完善，如《無損檢測 Ｘ射線應力測定方法》GB∕T 7704-2017，但該方法大多基于實驗室測量，相應儀器復雜，對于工業現場檢測使用較少。

X射線衍射法測量表面殘余應力原理

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

（1）

在已知X射線波長λ的條件下，布拉格定律把宏觀上可以測量的衍射角2θ與微觀的晶面間距d建立起確定的關系。當材料中有應力存在時，其晶面間距d必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，導致衍射峰發生偏移，通過測量衍射峰的偏移程度，即殘余應變，通過胡克定律由殘余應變計算殘余應力值。

1961年德國的E.Mchearauch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，見圖1，應力方程為：

（2）

εψ的量值可以用衍射晶面間距的相對變化來表示，且與衍射峰位移聯系起來，即：

（3）

式中θ0為無應力試樣衍射峰的布拉格角，θψ為有應力試樣衍射峰位的布拉格角。經過換算，可得到：

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

圖1  sin2ψ法原理示意圖

1997年日本科學家SASAKI等提出用單次入射的方法在試樣和面陣探測器相對位置固定的情況下，通過單次曝光獲得的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，簡稱為cosα法。2012年起日本制造商開始向市場上提供商業化的cosα法應力儀。該殘余應力分析儀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，從而擺脫了傳統X射線殘余應力分析儀的測試局限，使得真正的現場測量和不規則形狀樣品測量成為了可能。這款全新殘余應力分析儀在實際使用中操作十分簡單，單角度一次入射即可獲取完整德拜，在整個德拜環上可以采集多達500個的數據點，并最多可用125個數據點進行高精度數據擬合計算殘余應力[6]。

cosα法應力儀采用的是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上捕獲衍射峰的環狀信息即德拜環，見圖2~4。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：

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

因此從以上公式可看出，應變與cosα成線性關系。

表面殘余應力在X射線衍射法中的表現形式

習慣將第一類內應力稱為殘余應力。一般英、美文獻中把第一類內應力稱為“宏觀應力”（Macrostress），把第二類和第三類內應力合稱為“微觀應力”（Microstress）。殘余應力可以認為是第一類內應力的工程名稱。

內應力是指沒有外力或外力矩作用而在物體內部存在并自身保持平衡的應力。依據對晶體的X射線衍射現象的不同，可將內應力分為三類：

（1）第I類內應力：宏觀尺寸范圍內存在并保持平衡的應力，與之對應的應變導致原子間晶面間距變化，引起X射線譜線峰位移；

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

（3）第III類內應力：一個晶粒晶胞尺寸數量級范圍內存在并保持平衡的應力，引起衍射譜線強度下降。

圖5 內應力結構關系圖

基于cosα法的X射線衍射檢測技術的應用

5.1試樣及技術參數

檢測材料各選取某2座凈化廠（簡稱為A、B廠）4條在役放空管道進行軸向應力檢測，其中A廠放空管道存在地基沉降，管道規格為φ168×7.5mm，管道材質為20#鋼；B廠管道未發生沉降。A廠的2條管道分別與B廠的2條管道走向、規格、介質、功能、運行條件等一致。現場檢測設備主要有2臺，一臺是電解拋光機，另一臺是型號為u-X360的便攜式X射線應力檢測儀，測量方法是基于cosα法的X射線衍射檢測技術。測量參數見表1。

表1 X射線應力檢測儀測量參數

表2 電解拋光儀拋光參數

5.1檢測方法

（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，打磨區域面積2cm×2cm，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的待電解拋光區，面積為1cm×1cm，調節電解拋光儀電壓，對該區域進行電解拋光。

（4）調試u-X360的便攜式X射線應力檢測儀，對電解區域進行殘余應力檢測。

5.3檢測結果與分析

5.3.1兩座凈化廠管道檢測數據對比

對A、B廠的放空管線進行檢測，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6處軸向應力。檢測位置示意圖見圖6。檢測數據見圖7、圖8。

圖6 測點位置示意圖

由圖7，圖8可看出，A、B兩廠4條管道表面殘余應力均為拉應力，且圖中趨勢可以看出，A廠管道所受拉應力對應位置大于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力大小，同時X射線衍射檢測的表面應力為第一、二、三類內應力的綜合狀態。這包括管道加工制造過程對表面的影響，如冷軋和熱軋過程中產生的表面應力等，管道焊接過程中產生的應力，如焊接過程產生的熱應力、相變應力等，內壓對管道表面應力的影響，檢測時溫度的影響等各種因素。四條管道材質，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為地質沉降引起的，基本符合現場情況，即A廠管道存在不均勻沉降，引起管道表面應力變化。

同時，圖7、圖8中可以看出，隨著檢測位置的延伸，其中由測點1到測點2，測點5到測點6兩廠管道變化趨勢相同，其余測點3、4、5變化規律不明顯，因測點3、4、5均位于直管段，沉降對該區域影響造成。

5.3.2不同深度下應力的檢測

選取與a、b管道相同材質（20#鋼）的加工試樣進行不同時間的電解拋光，其中試樣尺寸為：50×25×2.55mm。試樣待電解拋光區域原始壁厚為2.55mm，經過10秒、60秒、240秒三次不同時間下的拋光，測得剩余厚度分別為2.55mm、2.43mm、2.38mm，經計算平均電解腐蝕速率為0.7μm/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A廠的a、b管道，在其上選取兩點，位置見圖6中測點7點，進行機械拋光后，對不同電解時間下的表面應力進行檢測，由圖8、圖9可以看出，在不同的電解拋光時間下，所測應力成梯度降低趨勢。即隨著電解拋光時間的延長，對管體表面形成了逐層剝離，所測應力實際反映了管體表面不同深度的應力大小。

從圖8、圖9中數據可以看出，管體表面在加工過程中經受的外力和變形，遭遇的溫度變化，以及自身發生的組織結構變化或相變，沉降產生的應變等綜合因素下，表層應力明顯區別于內部應力，綜合因素下引起的效應都比其內部強烈。因此，最大的或變化最劇烈的應力往往存在于管體表面或近表層，管道制造過程產生的較大殘余應力，或者所引起的顯著應力梯度，都集中于表層或次表層，管體壁厚深層應力強度效應遞減，遞減過程較為劇烈。

從以上數據也可看出，在役狀態管體總是表面承受最大的應力，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，受管道沉降應力產生的裂紋源相應產生于接近表面的區域。所以，雖然X射線法測試的深度比較淺，但表層的應力往往引起不容忽視。

圖8 A凈化廠的a管道測點7深度方向的應力值

圖9 A凈化廠的b管道測點7深度方向的應力值

6 結論

（1）在役油氣管道表面應力檢測中，相對于有損檢測技術，基于cosα法的X射線衍射檢測技術提供了一個較好的檢測方向。

（2）采用基于cosα法的X射線衍射檢測技術，通過對沉降區域及未沉降區域的同類管道表面應力檢測，沉降區域管道表面應力明顯大于未發生沉降區域，較好的反映管道受力情況。

（3）在管體表面微米級深度方向，表面應力隨深度的增加而遞減，最大的或變化最劇烈的殘余應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射線衍射檢測技術為表面應力檢測提供了方向，反應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所受宏觀應力，建立相應的評價模型，還需繼續研究。