水下超声应力检测影响因素试验研究

张充霖 周士刚 戚文阳

中海石油技术检测有限公司 天津 300452

1 概述

海洋石油结构长期服役在海洋环境中，受风力、波浪力、冰雪、海水腐蚀、地震等外部载荷的影响。可能导致海洋石油结构设施产生应力集中或局部变形，甚至引发结构突发性失效等灾难性的人员伤亡及财产损失，因此开展海洋石油结构工作应力的无损检测对于保障油气生产安全至关重要。超声波应力检测法具有高分辨率、高渗透力、高检测效率、适用范围广、对人体无害等特点，是当前工程结构无损应力检测技术中最为有效方法之一。但超声法也有一定的局限性，如温差、耦合状态、粗糙度等因素影响检测精度。此外对于水下结构，检测精度还可能受长距离传输信号衰减、水压影响，目前研究较少。本文针对海洋石油工程结构水下超声应力检测中可能影响检测精度的三类因素开展试验研究，并根据影响因素进行系统分析及应力偏离补偿方法，旨在优化检测工艺、提高检测精度。

2 超声临界折射纵波应力检测原理

海洋石油工程结构水下超声应力检测技术源于声弹性理论中的超声临界折射纵波（LCR波）法检测。大量研究表明，LCR波是一种在材料近表面传播且平行于材料表面的纵波，其对应力的敏感度相比其他形态超声波更高[1]。当发射换能器发射超声纵波以第一临界角斜入射到入射到被检材料表面时，依据 Snell 定律，可在被检材料内部产生LCR波，当材料处于线弹性范围内，材料中的应力与声传播时间呈线性关系，因此，在发射和接收换能器距离保持不变的条件下，测得零应力对应的超声波传播时间和被检工件对应的超声波传播时间，即可求出被检工件中的应力绝对值。检测原理如图1所示。

图1 超声临界折射纵波应力检测原理

3 水下超声应力检测影响因素

对于海洋石油工程结构来说，以渤海油田导管架平台为例，水下关键承载构件如腿柱底部、基底横撑等的工作水深至少在10米，部分海域甚至超过30米，因此具体实施检测时，将涉及超声信号传输衰减、水压与水温对声时传播影响。因此本文将针对以下3个影响因素分别开展试验研究：

（1）超声信号线缆长度变化对传输信号强度的影响；

（2）水压变化对超声检测传播声时的影响；

（3）温度变化对超声检测传播声时的影响。

4 试验案例

4.1 试验设备

本次试验的检测设备选用HS1010超声残余应力检测仪，检测精度为1ns；检测探头选用ZKCXPR-45X应力检测探头，第一临界角为23°，为增强耦合，在探头中部安装吸附强磁铁。试验工件选用牌号为DH36的船舶及海洋工程结构用钢，工件规格为300mm×60mm×15mm。试验地点选定渤海辽东湾海域某采油平台，试验时间选择冬季。试验时，将检测探头吸附在试验工件中央位置。检测设备、探头及工件如图2、图3所示。

图2 应力检测仪

图3 应力检测探头及工件

4.2 传输信号衰减对比试验

本部分试验由潜水员携带检测工件潜水至平台周围水下3米位置，测得水温为5℃。所选用的线缆长度分别为5米、30米、50米、60米、100米共5种。得到的试验数据如表1 所示：

表1 不同长度线缆的传输信号对比表

4.3 水压影响声时对比试验

由于水压与水深呈正比，本部分试验由潜水员携带检测工件潜水至平台周围不同水深位置，水深分别为0米（水面）、5米、10米、15米、20米、25米及30米共7种，测得水温为5℃，所选用的线缆长度为50米。得到的试验数据如表2所示：

表2 水压-声时对比表

4.4 水温影响声时对比试验

为便于试验操作，本部分试验将试验工件放置在测试桶中，水桶高50cm，直径40cm。试验前从采油平台附近取海水，水深约30cm，取水时水温为2℃，经加热后水温为50℃。使水温自然冷却，从45℃起，水温每下降5℃记录一次声时值，直至下降至当时气温0℃。通过上述试验可得到的试验数据如表3所示：

表3 水温-声时对比表

5 检测影响因素分析

5.1 传输信号衰减对比试验分析

根据4.2的测试结果可以看出，线缆为5米变化至100米时，声时在11016～11017ns波动，声速无变化，但波幅的变化量较大，从最高78.6%下降到31.4%，测试结果表明，随着线缆长度的增加，超声能量在不断的衰减，因此以目前的设备激发声能水平来看，并考虑到现场检测过程中因高差、距离产生的的线缆余量，线缆的最大可制作长度为50米，此时的回波波幅为68.4%，尚可满足检测需求。若超过50米，则波幅低于50%，影响检测结果分析，应调整设备的激发声能、使用衰减率较低的导线等方法，降低因距离产生的声能衰减。

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5.2 水压影响声时对比试验分析

根据4.3中水压影响试验结果可以看出，当水深从0米提升至30米过程中，压力从0增加至0.3MPa，而声时变化量为1ns，在设备的精度范围内。因此，可认为在当前水压范围内，水压对声时的影响基本忽略不计[2]。

5.3 水温影响对比试验分析

根据4.4中温度影响试验结果可以看出，声时对于温度的变化较敏感，随着温度的不断降低，声时亦不断下降，近似为正比例关系。当水温从45℃降至0℃，温差为45℃，声时差为25ns，温度-声时平均变化率为0.556ns/℃。若标定实验与现场检测的温差为10℃，则引起的声时差为5.56ns，假设应力变化率为7MPa/ns，则引起的应力差值为38.92Pa。但须注意的是，此时的应力差并非工件自身的应力，而是由于温度变化导致声时同步变化而产生的一种应力偏离。此部分偏离需要在前期实验对某种材料的工件进行温度补偿实验，得到温度-应力数值曲线及温度-应力影响系数，现场检测中即可对由温度变化引起的声时变化进行补偿[3]。

5.4 偏离优化分析

基于文中4.4及5.3的试验结果及分析，当温度变化与声时变化近似为线性关系时，可认为因温变产生的应力偏离量可表示为温度试验获得的声时-温度平均变化率与待测工件、基准试块之间温差、应力标定系数相关，其偏离优化的数学表达式为：

式中：

σ（T），因温度变化引起的应力偏离，MPa；

T1为检测工件温度，℃；

T0为基准应力试块进行应力校准时的温度，℃；

T2及T3为温度-声时试验时的最高温度与最低温度，℃；

K为根据GB/T32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》进行拉伸试验标定获得的应力系数，单位（MPa/ns），该系数与被检的材料特性和探头间距相关。依据声弹性原理有：

σ为检测应力值，MPa；

σ0为基准应力值，通常可认为取0，MPa；

t为检测声时值，ns；

t0为基准声时值，ns；

因此，最终的应力检测结果应由两部分构成，即根据标定试验测得的应力值σ加上应力偏离优化值σ（T）。

6 结束语

文章针对水下超声应力检测中可能影响检测精度的三类因素即线缆长度变化、水压变化是及水温变化开展试验并进行针对性分析。试验结果表明：

1）线缆长度对传输信号的能量衰减影响较大，应根据检测水深，选取适合的线缆长度，并考虑调整设备的激发声能、使用衰减率较低的导线等方法，降低因距离产生的声能衰减。

2）30米水深范围内，水压对声时的影响可忽略不计。

水温对于声时传播影响较大，文中提出的应力优化方法可针对温度变化引起的应力偏离进行补偿，对于提高水下结构检测精度、真实反映结构应力水平具有一定的工程价值。