便携式万能力学性能检测仪对在役管道的检测

2014-12-09马喜娜赵仕林许学龙

机械工程材料 2014年3期

朱涛，马喜娜，赵仕林，许学龙

（北京春秋阳光环保科技有限公司，北京100102）

0 引言

管道输送具有输送量大、能耗低的优点。除了应用于长途输送油气外，在许多工厂中，管道运输已成为各种气体、液体物质的主要输送方式。由于管道输送的这些气体或液体大多有毒或具有危险性（如高温、高压等），这就要求管道在使用中不允许出现泄漏事故，因此管道输送的安全性非常重要。为了防止管道出现泄漏，就必须定期检测管道的硬度、拉伸性能、残余应力等相关指标，以评价管道的老化程度及安全性。这样不仅可以大大减少事故的发生率，而且还可以建立起管道维护数据库，科学地管理管道并进行日常运营维护，从而获得巨大的经济效益和社会效益。

常规的力学性能检测设备大都采用破坏性的检测方法，因此这种检测方法只能应用于实验室抽查检测，而不可能应用于在役检测。为解决这个问题，FRONTICS公司研究开发了AIS3000系列便携式万能力学性能检测仪（产品外形见图1），它打破了传统检测技术的工作模式，可用简单、快捷、可靠、无损的方法对在役管道等各类设备进行相关指标检测。采用该检测仪检测后只会在材料表面产生一个面积约为0.15mm2的压痕，对管道结构、使用性能不会产生影响。它可测试管道的硬度、拉伸性能、残余应力等指标，从而准确地评估设备的使用状况、预测其剩余使用寿命。

1 仪器结构与特点

AIS3000系列便携式万能力学性能检测仪由主机、夹具和测量软件三部分组成。主机主要控制压头连续下压，并装有传感器对压头下压时的反弹力和下压深度进行测试。夹具主要起固定作用，避免仪器在工作时产生振动而影响测试精度。测量软件既是操作程序也是分析程序。仪器工作时，会在操作软件中生成载荷-深度曲线，进而判断仪器的工作是否正常。测试完毕后分析程序会通过载荷-深度曲线计算得到材料的硬度、拉伸性能和残余应力。

图1 AIS3000系列便携式万能力学性能检测仪外形

2 工作原理及测试精度

2.1 拉伸性能

该便携式万能力学性能检测仪采用压痕技术，通过压头多次下压得到多组载荷-深度曲线，仪器将自动通过有限元分析法将载荷-深度曲线转变成真应力-真应变曲线来计算材料的屈服强度和抗拉强度，见图2。

为验证检测结果的可靠性、准确性，分别采用MTS万能单轴拉伸试验机与便携式万能力学性能检测仪对45钢和X65管线钢进行了拉伸性能检测，检测结果见表1。对两块日本产不同硬度的标准维氏硬度试块进行了硬度测试，结果见表2。由表1和表2可以看出，该仪器的测试结果与拉伸试验测试结果相比，误差不大于3%，可以满足要求。

2.2 残余应力

残余应力的测试是先测出材料在无应力状态下的载荷-深度曲线，并将其作为参考曲线，如要测试焊接接头的残余应力时，需要先测试远离焊缝母材的载荷-深度曲线；如要测试管道弯曲矫直后的残余应力则要先测未加工前板材的载荷-深度曲线。这些参考曲线在测同一批同类材料的设备时可以多次应用，无需重新测量。当给定相同的载荷L0时，通过测出有残余应力时的载荷-深度曲线上偏离参考曲线的横坐标上的距离Δh，再通过相关的公式来计算出残余应力值。如果是正偏量则为残余拉伸应力，反之则为残余压缩应力，如图3所示。

图2 仪器测得的载荷-深度曲线和转化后的真应力-真应变曲线

表1 拉伸试验机与力学性能检测仪的测试结果对比

表2 硬度测试结果与标定值的对比

图3 残余应力测试结果示意

为了对测得的某焊接接头处的残余应力精度进行验证，分别用切条法和万能力学性能检测仪对同一管线钢焊接接头的残余应力进行测试，测试结果见图4。由图4可知，万能力学性能检测仪与切条法测试的结果基本相当，最大残余应力的差值不超过20MPa。

图4 力学性能检测仪与切条法测试残余应力的对比

3 管道检测实例

用该仪器对某石油公司一个内径为800mm、壁厚为20mm的X65管线钢螺旋焊接石油管道焊接接头的焊缝、热影响区、母材分别进行拉伸性能和残余应力检测。

3.1 设备的安装调试

由于便携式万能力学性能检测仪的球形压头半径只有0.5mm，因此必须要先将设备表面的氧化层磨去并用1200目砂纸打磨平整。在仪器的安装过程中，由于受到反弹力作用将导致传感器测试不到真正的下压力，因此需要安装夹具固定设备。对于大口径的石油管道主要使用曲面磁铁夹具。在夹具上设有移动装置，可以在不移动夹具的情况下移动仪器来更换测试点位置再次进行测试。

3.2 数据的测取

万能力学性能检测仪采用计算机控制的全自动测试分析，用户只需将压头对准被测位置，启动仪器，当压头接触到材料表面后操作程序自动开始测试。测试完毕后，测试数据自动导入分析模块中生成所需要的结果。值得注意的是，测得的拉伸性能数据只能用于分析拉伸性能而不能用于残余应力的分析。对图5所示焊接接头的不同区域进行测试。

图5 管道测试位置示意

3.3 测试结果与分析

由表4和表5可知，管道焊接接头的屈服强度和抗拉强度都远高于X65管线钢的标准值，说明管道未出现老化现象。母材的强度高于焊缝和热影响区的，这可能是由于焊接后为消除残余应力采用缓慢冷却的方法所致。焊缝中的残余应力都为残余压缩应力，最大为85.37MPa，只有母材屈服强度的1 5%左右。根据管道残余应力不能高于屈服强度50%的标准要求，可以确定残余应力对管线焊接接头没有太大影响。检测结果表明管道处于安全的工作状态。