管道应力检测新手段——超声法

管道应力产生的原因以及应力检测的必要性
复杂管线中可能存在压力、重力、温度、风、海浪、土壤约束以及地震、动设备的震动、阀门关闭、开启导致的水锤气锤等外力载荷作用。 载荷是管道产生应力问题的原因。
压力、重力等载荷作用下的管道会积聚载荷应力—————易产生塑性变形破坏。
热胀冷缩以及端点附加位移等位移载荷作用下会积聚残余应力——————易发生疲劳破坏。
应力引起的对管道的破坏，会引发泄露、断裂甚至爆炸等事故，造成生命财产损失。
应力检测是在经应力分析后，对一些关键位置的应力值验证，从而保证管道自身和与其相连的机械、设备以及土建结构的安全。应力检测也适用于风险的评估，通过应力值大小，分析可能存在隐患的区域或者因素，以便及时整改，避免发生事故。
所以说管道的应力检测是极有必要的。

常见的应力检测方式可以分为应力有损检测、应力无损检测两种，其区别就在于是否破坏金属工件。有损的应力检测如盲孔法、剖分法等由于其破坏性，对于在役的设备及零部件、较为特殊或者造价昂贵的材料注定是不适用的。应力的无损检测手段目前较为普及的是X射线衍射法，但由于它对材料也有较高的要求（各向同性，同质的，细粒多晶材质），同时存在操作较为复杂、具有较多检测限制、单点测试时间过久等弊端。可以说应力的无损检测目前仍是较为棘手的问题。
超声法是这几年才问世的应力检测新手段，由于其理论对应力检测的高度适用性，突破了传统检测方式的诸多局限，在应用上有着极为明显的优势。
超声检测应力优势
1.不对被测对象产生任何损伤
2.测量精度在10MPa以内，重复测试波动不超过±1.1*KσMPa
3.测量快速，单点测试不超过4s，可实现实时检测，也可用于系统集成实现自动化或半自动化应力检测
4.测量深度较大，近表面应力检测深度2mm以内，体应力检测深度10mm以上
5.无任何辐射，操作安全，无需任何防护
6.既可测量应力，也可检测试件内部的缺陷，还可用于高精度测厚
7.适用材料广泛，理论上可以应用于任何非吸声材料

一.理论基础
基于超声波声弹性理论的应力测量方法是利用了受应力材料中声双折射现象的原理。在各向同性材料中，由纵波声弹性关系可得到主应力和，横波声弹性关系可得到主应力差；在正交异性材料中，每种波都与主应力和主应力差有关。被测对象中超声波速与应力之间的存在固有的关系，且这种关系在同一温度下具有较好的线性度。且超声波对于大多数介质而言穿透能力比较强，在一些金属材料中穿透能力可达数米，不仅可以用于残余应力的检测，也可用于体应力（载荷应力）检测或者高精度测厚。

二.测量原理

利用超声检测应力的基本原理如图所示。整个仪器主要由：超声脉冲信号源、数据采集模块、数据分析预处理模块、应力分析软件系统、超声波探头及人机交互终端组成。在被测对象上安放两个超声波探头，分别是发射和接收探头，探头的另外一端分别连接到仪器的信号端口。仪器向发射探头发出激励信号后，发射探头激发出超声波并沿被测对象传播，当超声波遇到有应力聚集的区域，超声波传播的速度发生变化（更准确地说是相位），如图所示，接收探头采集到信号回传至测量仪器，由仪器分析捕捉到这个速度变化量，结合事先标定的材料特征参数，可计算出目标区域应力的大小。

三.近表面应力检测
这是材料或零部件残余应力检测较为典型的应用场景。使用一对收发分离的超声波探头（也称超声波换能器），如图所示，这对探头设计时（根据被测对象的声速）声束入射角需满足第一临界角的基本条件，激发的超声波也被称做“临界折射纵波”（LCR），声传播的基本特征是：超声激励方式为脉冲激励形式，LCR沿被测对象近表面区域传播。可测量的深度取决于使用探头的频率和被测对象材质。
式中，α为检测深度修正系数，单位为mm/ns，常用金属材料参考值：钢5.98，铝6.40，铜4.81；f为探头中心频率，单位为MHz。

基于LCR近表面应力检测方法示意图

临界折射纵波的典型回波信号

四.体应力检测
本处所述的体应力是相对于近表面应力检测而言，主要针对的是近表面以下深度的应力。在这种应用场景下，使用LCR无法触及待检测区域，需使用收发一体的脉冲回波超声波探头，如图所示，声束入射方向与被测对象法线方向一致，声波传播形式为纵波（L）。较为典型的应用案例为螺栓应力测量。实际上，这种方式可以推广至预紧力检测，只要确保探头与被测对象的耦合可靠。

五.应力测量方法
应力测量方法主要分为两种：1）绝对应力值测量；2）相对应力值测量。这两种方法的区分在于基准的选择。这里所述基准指的是在与被测对象具有相同状态的参考试块上所采集到的参考超声回波信号（基准声速）。被测对象应力测量启动后，其余测试区域使用该基准参考信号进行声速差异分析计算，来确定相对的应力测量值。若已知参考试块不存在应力（即零应力），那么被测对象的应力测量值属于绝对应力值。

此为应力计算的简化公式。K为由拉伸标定得出的声弹系数（各种材质声弹系数不同），它反映的是应力与声速的对应关系。

七.超声应力仪产品
由戬威机电研制的超声应力仪是一款用于测量材料、结构件中残余应力（包括拉应力和压应力）和内应力的精密仪器。定量测量被检对象中的应力对于早期预测构件的变形和损坏具有重大的意义。

八.超声应力仪使用范畴
理论上，超声波能够传播的介质都可以检测所积聚的应力。因此，可使用超声进行应力检测的领域非常广泛。这些介质涵盖了金属和非金属，而非金属又包括：有机大分子材料（如尼龙、ABS、有机玻璃等）、脆性材料（如陶瓷、钢化玻璃、水晶等）。此外，还包括一种特殊的：单晶材料，这种材料往往使得X射线应力检测方法失效，而超声波不受此限制。
超声应力仪特别适合以下几种场合的应用：
1）被测对象内部组织稳定，较均匀；
2）测量效率要求较高，且不能破坏被检测对象；
3）实时在线监测被测对象的应力变化，比如疲劳试验，要求快速记录应力测量结果；
4）应力变化梯度不需要太大，且测量离散度要求不允许变化太大；
5）体应力测量，测量较深的内部应力，如较为典型的螺栓预紧力；
6）连续测量重构应力场的场合；
7）大型结构件检测是目前较为理想也是精度较高的有效检测手段。

九.应用比较
A.与X射线的比较
X射线检测普通碳钢已经非常成熟，但对像铝合金、不锈钢、钛合金等存在大晶粒或织构组织的材料检测方法还不成熟。X射线法存在以下局限性：
1）受透射深度所限，只能无破坏地测表面应力，若测深层应力，也需破坏试样；超声法深度可以达到数米；
2）当被测工具不能给出明锐的衍射线时，测量精度不高；能给出明锐衍射峰的试样，其测量误差为±20MPa。
3）试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高。晶粒的尺寸对超声法也有影响，但是晶粒补偿功能的引入，使得超声对粗晶材料同样具备检测能力；
4）大型零件不能测试，超声检测效率非常高，可在较短的时间内测量整个零件的应力分布；
5）运动状态中瞬时应力测试也有困难，但是超声法具备实时在线准确测量应力的能力；
6）不适宜测量单晶材料的应力，而超声法不受此限制。
B.与盲孔法比较
相比较于超声和X射线法，盲孔法属于是一种有损的检测方式，需要在试件上进行钻孔。这种方式的特殊性决定了它比较适合生产过程中的抽检或者允许破坏性检测场合，对很多在线或者在役的设备而言，在试件上开孔是不切实际的。
1）盲孔法适用于测量梯度比较大的残余应力场；
2）盲孔法测量中的应力释放属于部分释放，释放应变测量灵敏度只有剖分法的25%，因此盲孔法测量精度低，不太适合低水平残余应力测量。
3）测量的仅仅是表面残余应力，无法测量材料内部的残余应力。

十.超声应力仪性能指标
1.精度及分辨率：应力测量精度可达±10Mpa以内，分辨率为0.37*Kσ（Kσ为声弹系数），声时差分辨率0.37ns
2.重复性：单点重复测试500次，测量值波动不超过±1.1*KσMPa
3.线性度（非线性度误差）：不超过3%
4.单点测试时间：不超过4s
5.补偿技术:拥有温度补偿、噪声抑制等技术
6.检测深度：近表面应力检测深度2-4mm左右，体应力检测深度10mm-1000mm

以下是超声应力仪一些现场的应用

1.中缅油气输送管道应力检测
内容：管道发生土方位移后的应力检测评估

2.曲阜港枣线管道载荷应力检测
内容：管道压力过载变形应力检测