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【论文精选】城市燃气管道焊接残余应力检测技术

时间：2023-07-14 来源：浏览：

【论文精选】城市燃气管道焊接残余应力检测技术

原创郭保玲，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：郭保玲，邸鑫，孙德芝，李旭，王杰

第一作者单位：北京市燃气集团研究院

摘自《煤气与热力》2022年7月刊

参考文献示例

郭保玲，邸鑫，孙德芝，等 . 城市燃气管道焊接残余应力检测技术［J］. 煤气与热力， 2022，42（7）：B37-B39.

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燃气管道

焊接

1 概述

城市燃气 钢质管道 焊接接头多，焊接过程会在焊接接头及热影响区产生残余应力，加之城市燃气管网所处环境复杂，导致焊接接头成为燃气管网的薄弱环节。因此焊接残余应力的分析及检测对于燃气管网安全运行及指导现场焊接施工十分必要。

2 燃气钢质管道管材特点及焊接工艺

以北京市为例，目前北京燃气已建成钢质 燃气管道 近 2 × 10 ⁴ km ，其中，中低压管道逾 1.8 × 10 ⁴ km ，中低压管道材质主要为 Q235B 和 20 ^# 钢，管径小，多位于城区人口密集区。次高压及以上管道近 2 000 km ，材质主要为 L245M 、 L290M 、 L360M 、 L485M 。根据 GB/T 8163 — 2018 《输送流体用无缝钢管》、 GB/T 9711 — 2017 《石油天然气工业管线输送系统用钢管》，基于城市燃气管材特点，对于中低压管道及 L245M 、 L290M 、 L360M 等低钢级管材，主要采用氩弧焊焊接工艺；对于 L485M 这类高钢级管材，采用半自动或全自动焊焊接工艺。

3 焊接残余应力对城市燃气管道的影响

城市燃气管道管径小、弯管较多，以中低强度钢为主，焊接残余应力叠加外部载荷、土壤约束力等易在焊缝位置形成应力集中，在土壤或外部载荷的长期扰动下产生开裂，这种焊缝开裂的发生通常需要较长的时间，且大部分发生在埋深较浅或下方有地铁经过的管道上，主要发生在冬季。

带气作业抢修受施工期、施工条件等限制，特别是冬季施工，焊缝因热胀冷缩产生的焊接残余应力较大，且冬季温度较低，一旦达到管材的韧脆转变温度，叠加地质沉降等外部载荷，易造成焊缝脆性开裂，焊缝开裂是燃气管道面临的重大风险因素之一。此外，城市燃气管道外部腐蚀环境复杂，腐蚀环境与焊接残余应力共同作用会降低焊缝的抗腐蚀能力，易在焊缝处或热影响区发生腐蚀失效。

4 焊接残余应力检测技术比较

现有的焊接残余应力检测方法，按照其对被测构件的损伤程度分为有损检测法和无损检测法。无损检测法采用物理方法，检测过程不对构件产生损伤。有损检测法是采用机械加工的手段，对被测构件进行部分解剖或完全剥离使被测构件上的残余应力部分释放或完全释放，利用电阻应变计测出残余应力。盲孔法、压痕法为有损检测法， X 射线法 ^［ ¹ ^］、磁性法 ^［ ² ^］、超声波检测法为无损检测法，但需要对被测构件表面进行打磨。

①盲孔法

盲孔法是在构件的表面钻孔，造成周围材料的弹性应变释放，通过应变片将应力释放量测出，并通过计算得出该部位的残余应力大小和方向。成本较低，操作简单，设备便于携带，测量精度较高。盲孔法仅能测量表面残余应力，无法测量材料内部的残余应力。对被测构件产生微损伤。检测可参考现行国家标准 GB/T 31310 — 2014 《金属材料残余应力测定钻孔应变法》。

②压痕法

压痕法通过叠加附加应力场，根据叠加附加应力场引起的应变叠加增量计算原始残余应力。操作简单，适用范围广，对构件表面损伤较小，不仅能测残余应力，也可测试拉伸强度、屈服强度，但是需要对测试结果进行修正。检测可参考现行国家标准 GB/T 24179 — 2009 《金属材料残余应力测定压痕应变法》。

③ X 射线法

X 射线法 ^［ ¹ ^］是通过测量衍射角变化量，计算得到晶格间距变化量，再根据胡克定律和弹性力学原理计算残余应力。测量过程方便快捷，对于碳钢等成分简单材料测量精度较高。仅能测量表面残余应力且受测试表面状态影响大，应力检测设备构成复杂，有一定的辐射。检测可参考现行国家标准 GB/T 7704 — 2017 《无损检测 X 射线应力测定方法》。

④磁性法

磁性法 ^［ ² ^］是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，通过传感器扫查被检测件表面磁场来获得磁场分量的变化，计算得到应力。测量速度快，仪器轻便，适用于现场检测，可测量构件近表面残余应力。仅能测量铁磁性材料，探头与被测表面要很好接触，表面凸凹不平对测量结果有很大影响。达到磁饱和后，会产生剩磁。检测可参考现行国家标准 GB/T 26641 — 2011 《无损检测磁记忆检测总则》。

⑤超声波法

超声波法是基于声弹性效应，通过测定声波的传播速度，反映内部和表面残余应力。检测速度快、成本较低，便携式易操作。对环境要求苛刻，需要打磨被测构件表面，测试精度较低。检测可参考现行国家标准 GB/T 32073 — 2015 《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》。

5 检测技术现场应用情况

①长输管道应用

中石油采用 X 射线法、盲孔法、压痕法、磁性法对外直径为 1 219 mm 的 X80 新建天然气管道进行包括焊接残余应力、组对应力、土壤约束应力在内的综合应力测试 ^［ ³ ^］，结果表明焊缝中心存在较大的拉应力，约为 400 MPa 。综合对比分析可知， X 射线法受测量位置、表面质量及现场环境等影响较大，现场测试误差较大，磁性法、压痕法可操作性较好，适用于现场检测。此外，也采用盲孔法 ^［ ⁴ ^］、压痕法对 X80 钢管在无内压、无组对应力、无土壤约束应力、仅存在焊接残余应力条件下进行实验室测量，实验结果表明焊缝中心残余应力较高，平均值约为 200 MPa 。盲孔法、压痕法准确度较高，压痕法对管道损伤较小，适用于在役管道残余应力测试，但需经过分析比对，对测量结果进行修正。路浩等人 ^［ ⁵ ^］采用西安石油大学自主研制的超声波法焊接残余应力测量系统，对高钢级大口径管材进行了实验室测量，结果表明焊缝中心焊接残余应力最大，约 450 MPa ，并指出声弹性的非线性原理的进一步发展是完成工程结构残余应力精确测量的基础。

②城市燃气管道应用

宋耀民等人 ^［ ⁶ ^］应用 X 射线法对北京市天然气埋地管道中典型 Q235B 、 X65 管材，埋地前后在相同位置进行焊接残余应力跟踪检测，得出了测试管段在实际腐蚀环境中焊接残余应力变化规律。两种管材均为螺旋缝焊管，敷设过程为环向对接焊接。研究结果表明，环焊缝与螺旋焊缝相交处的应力状况最为复杂，焊接残余应力最大。 2 种管材埋地前后焊接残余应力对比见表 1 。由表 1 可知，埋地 1 a 后， X65 和 Q235B 管材的最大焊接残余应力较埋地前分别下降了 46% 和 37% ，相比较而言， Q235B 管材最大焊接残余应力降幅较低。

表 1 2 种管材埋地前后焊接残余应力对比

6 在城市燃气管道应用的建议

结合长输管道焊接残余应力检测技术应用现状及对比结果，压痕法和磁性法较适用于现场检测， X 射线法、盲孔法、超声波法适用于实验室检测。与长输管道相比，城市燃气管道管径小、管壁薄，受施工工期限制，对于现场检测，压痕法对管道产生轻微损伤，且需要先进行实验标定，还需对测试结果进行修正，综合来看磁性法较为适合，但磁性法会产生剩磁，在检测过程中应及时消除剩磁。

对城市燃气管道焊接残余应力检测技术的应用，应结合施工工期、施工条件、作业场景、管道材质、焊接工艺等进行综合考虑，开展检测技术的现场和实验室应用研究。对于现场焊缝检测应考虑土壤约束应力、组对应力及焊接残余应力的综合应力，现场测试后，如有条件将焊缝切割，在实验室针对焊接残余应力进行测量，经分析比对，明确各类管材、不同焊接工艺条件下的焊接残余应力及分布规律。在此基础上，有针对性地考虑优化焊接工艺和焊接条件，适当采用减小或消除残余应力的方法对焊缝和热影响区进行处理。