王威强--应力应变显微探针技术在管道安全与检测中的应用-山东大学汤杰王威强终稿

应力应变显微探针技术在管道安全与检测中的应用

汤杰1, 2, 3 王威强1, 2, 3

（1. 山东大学机械工程学院山东济南250061；

2. 山东省特种设备安全工程技术研究中心山东济南250061；

3. 山东大学特种设备安全保障与评价研究中心山东济南250061）

摘要：管道运输具有明显的优越性，广泛应用于石油、天然气、化工、能源等领域。在全球范围内，管道建设突飞猛进，但管道安全事故不断增多，管道安全问题越来越受到关注。当前管道检测技术主要针对管道剩余壁厚、裂纹、腐蚀缺陷、输送介质泄漏等，而无法对服役管道进行在线的材料性能测试，本文引入应力应变显微探针技术，针对管道开展压痕试验，进行材料性能测试，为管道安全服役和稳定运行提供必要保障，必将获得良好的应用前景。

关键词：应力应变显微探针；压痕试验；管道；安全保障

The application of the Stress-Strain Microprobe technology in pipeline

security and detection

TANG Jie1, 2, 3W ANG Weiqiang1, 2, 3

(1. School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;

2. Engineering and Technology Research Center for Special Equipment Safety of Shandong Province, Jinan 250061, China;

3. Research Center of Safety Guarantee and Assessment to Special Equipment, Shandong University; Jinan 250061, China)

Abstract: Pipeline transport has obvious superiority, and it is widely used in petroleum, natural gas, chemical, energy industry, etc. In view of global scale, with the rapid development of pipeline construction, the safety accident of pipeline has increased obviously. People pay more and more attention to the safety problem of pipeline. Currently, the pipeline detection technology mainly focus on the remaining wall thickness of pipeline, the crack defects of pipeline, the corrosion defects of outer wall and inner wall, the leakage of transmission medium, etc. And the material properties of the in- service pipeline could not be tested online. In this paper, the Stress-Strain Microprobe technology is introduced specifically, testing material properties using indentation test on pipeline. It could play a very important role in ensuring security service and steady operation of pipeline, meanwhile the Stress-Strain Microprobe technology will get better application in the near future.

Key words: Stress-Strain Microprobe; Indentation test; Pipeline; Safety guarantee

压力管道作为特种设备中的一类，广泛应用于石油、天然气、化工、能源、航空、医药等领域，在工业生产和人民生活中具有极其重要的地位。管道运输作为五大运输方式之一，与其他运输方式相比具有明显的优越之处，它不但能够消除气候等因素对运输的不利影响，而且还可以根据市场用户需求进行灵活操作供应，对产销一体化有积极意义，此外管道运输还具有运输安全、损耗少、投资较省、运行费用低等优势[1]，对国民经济发展具有重大意义。

自全球第一条长距离输油管道于1865年在美国宾西法尼亚州铺设完成以来[2-3]，管道运输已经成为全球石油和天然气运输的最主要方式之一。据不完全统计，全世界油气管道干线长度已超过200万千米[2]，相当于地球与月球间距离的5倍以上，并以每年4万至5万千米速度快速增长[4]。而我国长输油气管道总里程已经达到8万多千米[5]，城市燃气管道约9万千米，集输油气管网约30万千米[6]。据有关报道，2010年我国工业压力管道已有73.2万千米[7]。

随着管道建设量地突飞猛进，现有管线服役时间地不断增长，管道事故地不断增多，管道安全问题越来越受人们的重视。虽然目前在设计建设油气管道以及运行管理中采用更加严格的规范和标准，而且优质管材和防腐蚀涂层技术不断应用，但是影响管道安全的因素非常多，比如管道服役期间的第三方破坏、自然灾害、腐蚀

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）机械装备再制造的基础科学问题（2011CB013400）资助。

第一作者：汤杰，男，1987年8月生，2009年毕业于山东大学，获工学学士学位，现为山东大学机械工程学院在读硕士研究生，主要从事承压设备安全

穿孔、残留的缺陷损伤等因素都有可能导致严重的管道安全事故[4]，给周围的人员和建筑物造成重大的危害，产生严重的不良社会影响。因此，各类管道的安全服役和平稳运行已成为一个不容忽视的重大问题。

1 管道安全事故屡见不鲜

我国油气管道建设起步较晚，但在役管道每年却都发生多起安全事故，给人民的生命安全形成严重的威胁，造成极其巨大的经济损失和非常恶劣的社会影响。例如2010年7月16日，大连新港一艘30万吨级的巴拿马籍油轮在泄油时引起陆地输油管线爆炸并引发大火，大量原油泄漏并有部分泄漏原油流入附近海域，海洋环境受到严重污染，事故导致相关作业人员1人轻伤、1人失踪，又在灭火时造成消防官兵1人牺牲、1人重伤，另据统计此次事故造成直接财产损失达22330.19万元；1998年1月21日，湛江至茂名的原油长输管道在距离湛江转油站约14.3千米处破裂，路过的汽车引爆了泄露原油并发生大火，面积达1万多平方米，泄露和烧掉的原油约145吨[6]；2011年7月2日，在济南市济青高速华山出口向西约2公里处，一条输送天然气的主干管道爆炸并引发火灾，大火在肆虐了8个多小时后得以扑灭，济青高速被迫封闭，事故造成天然气损失10多万立方米，导致管道下游沿线数百公里地区中断供气，并造成现场人员受伤；2008年12月7日，位于宁波市江北区的杭甬天然气管道主干线发生爆燃事故[8]，强烈爆炸将地上炸出一个深达四五米的大坑，事故造成附近居民断水、断电、断天然气；2004年5月29日，四川泸州纳溪区炳灵路一条输送天然气的管道发生爆炸事故，导致5人死亡，35人受伤，并造成数千居民停水停电，上万居民断供天然气；2000年1月5日，乌鲁木齐市一条输送天然气的管道发生爆炸，造成9000多户居民断供天然气，更导致将近30万平方米的住宅停供暖气；1995年1月3日，济南市和平路一条煤气管道破裂，煤气泄露进入电缆沟后起火发生爆炸，导致13人死亡，40余人受伤的严重后果[6]。1970至1990年，仅四川气田共发生了108 起输气管道爆裂事故[9]。

管道安全事故不仅仅在我国发生，在全球范围内也是屡见不鲜。2010年7月27日，加拿大安大略省与美国印第安纳州之间的一条石油运输管道因腐蚀进而发生泄漏事故，造成3000多立方石油流入卡拉马祖河的支流，造成极其严重的环境污染，导致大量野生动植物死亡[9]；2000年8月，美国新墨西哥州东南部的一条输送天然气管道发生爆炸并引发大火，造成至少10人死亡[4]。然而迄今损失最为惨重的管道安全事故发生在1989年的前苏联，当时乌拉尔山隧道周围的输气管道爆炸，烧毁两列火车，造成1024人伤亡（包括约800人死亡），另有数千亩森林被烧毁[10]；而破裂裂缝最长的管道安全事故发生在1960年的美国，Trans-Western公司一输气管道的破裂裂缝长达13千米[9]。根据美国管道与危险物资安全管理局的统计结果显示，在1999至2010年间，美国发生天然气管道重大事故多达2840起，造成323人死亡，1327人受伤；1971至2000年间，欧洲平均每年发生油气管道干线事故13.8起；近20年，加拿大的油气管道干线平均每年发生事故达30至40起[9]。

2 当前管道评价与检测技术

管道的安全保障问题，发达国家给予了高度重视，我国也在上个世纪末以来不断设立相关科研课题进行研究，此外，中石油也陆续开展了包含“含缺陷管道剩余强度评价方法研究”和“含缺陷管道剩余寿命预测方法研究”等课题项目在内的系列研究工作[11]，极大地推进了我国管道缺陷安全评定技术的发展。

管道服役过程中由于环境、介质和机械载荷等因素导致材料性能劣化和承载能力降低的评价问题，一直是工程界的研究热点和难点。根据文献[11]表明有两种安全评价技术：（1）基于损伤理论的压力管道安全评价。如今连续损伤力学已经成为设备性能退化评估的重要手段，基于连续损伤力学的数值模拟在一定程度上可得到材料局部损伤及寿命等信息，因此对管道进行有限元数值分析计算，可以获知损伤演变规律，从而更好为管道的设计与维修服务[11]。（2）基于断裂理论的压力管道安全评价。安全评价分析需要以检出缺陷的规则化和模型化作为前提和基础，若存在不止一条裂纹或缺陷时，裂纹间将会互相作用与互相影响，则需建立多个裂纹之间的干涉效应和处理技术。若在失效评定图的基础之上引入损伤维度，将损伤、断裂和极限载荷构建成一个三维失效评价空间，则在复杂损伤机制下的失效评定将可望取得一定的进展[11]。

当前针对管道的安全监测与检测一般包括无损检测、应力与应变测试、振动检测和材料试验等，其中最为常用的无损检测方法有射线检测、磁粉检测、超声波检测和渗透检测，此外涡流检测、声发射检测和红外热成像技术也得到了广泛应用。超声导波检测技术、漏磁检测技术、远场涡流检测检测技术也得到了很大发展，另外，以在线检测为基础的管道智能猪检测技术[12]也表现出了显著的优点，在国内外受到了越来越多的关注。

3 应力应变显微探针技术

目前工程中应用的管道检测技术主要是用于检测管道的剩余壁厚、管道表面裂纹、内外管壁腐蚀缺陷、管道输送介质泄漏、阴极保护系统测试、防腐层及保温层检测等。笔者结合应力应变显微探针技术开展压痕试验，针对目标管道进行材料性能测试与分析，为管道安全服役提供保障[13]。

3.1 应力应变显微探针技术基本原理

1989年，来自美国橡树岭国家实验室金属和陶瓷分部的F. M. Haggag，将研究成果“现场压痕显微探针”（Field indentation microprobe for structural integrity evaluation）申请美国专利[14]，Haggag在申请了该专利之后依托Advanced Technology Corporation公司，将应力应变显微探针系统商业化生产并加以推广应用（图1）。应力应变显微探针系统利用自动球压痕(Automated Ball Indentation )测试技术，它是唯一一种能够通过局部的、非破坏性的试验，来测量金属结构和微小试样的现行主要力学性能的系统。应力应变显微探针系统及自动球压痕测试技术代替了传统的材料万能试验机进行拉伸和断裂韧度测试，而且无需取样。

该应力应变显微探针系统测试材料性能的基本原理是：球形压头在机电驱动载荷施加机构的作用下，压头垂直压入已抛光被测材料表面，在同一作用点进行连续循环加载卸载，使被测材料表面发生持续位移，由此可获得压痕曲线（即载荷-位移曲线），并将此载荷-位移曲线转化成真应力-真塑性应变曲线，从而获得材料的综合性能，包含流动性能、屈服强度、应变硬化指数、强度系数、弹性模量、估算断裂韧度等性能参数[14]。

图1 应力应变显微探针系统在离线管道上测试试验[15]图2 应力应变显微探针系统基本部件组成[16] Fig. 1 Stress-Strain Microprobe (SSM) system is used Fig. 2 Basic components of the SSM system here for testing off-line steel pipeline

3.2 应力应变显微探针系统设备组成

美国A TC公司F. M. Haggag等人[14-18]研究设计的应力应变显微探针系统（图2）主要由两大部分组成：用来确定材料力学性能的自动球压痕（ABI）装置和用来确定材料物理性能的无损评价（NDE）装置（含超声波传感器、摄像机等）。具体的主要组成元件包括：由机电驱动的载荷施加机构、球形硬质合金压头、线性可变差动位移传感器、载荷传感器、超声波传感器、控制器、摄像头、个人计算机系统、打印机、一套版权保护的软件、基座等。

笔者所在单位山东大学机械工程学院购买了美国A TC公司SSM-B4000TM System型号的应力应变显微探针系统。该型设备为实验室用平台，增添了高低温环境箱设备，涵盖了每一个成套系统的SSM-Suite TM软件，含有自动球压痕和拉伸试验模块。如果有需要，该台式系统同样也可以当作计算机控制的普通试验机来操作，开展常规破坏性试验。应力应变显微探针系统是能够在单个机器上完成完整力学测试实验。

3.3 应力应变显微探针系统主要功能

应力应变显微探针系统在最基本的组成元件设备基础上增加部分试验所需附件，在SSM-Suite?软件的控制实施下，可以实现自动球压痕试验、压痕蠕变试验、压痕应力松弛试验、拉伸试验、断裂韧度试验、纤维顶出试验等6类试验。SSM-Suite?软件包囊括了下述6大程序：（1）自动球压痕；（2）压痕蠕变；（3）压痕应力松弛；（4）纤维顶出；（5）拉伸；（6）断裂韧度。SSM-Suite?软件是由National Instruments’ LabView?图解语言写成的，允许测试中实时的图形处理和实时数据分析。

应力应变显微探针系统在载荷和位移的控制方面的闭环操作是完全计算机控制；提供了用户确定和内部软件限制的允许最大载荷和最大位移，以免损害任何传感器、测试试样以及压头；载荷控制到位移控制平滑转换，反之亦然；所有电机速度和试样在测试结束时的卸载都完全由计算机控制；可变数据采集速率最大值500数据点每秒；在测试过程中载荷和位移实时数字和图形显示；在每一个测试时，用户可以选择用英制或者公制的列表数据和曲线图。多个测试结果的汇总表同样提供英制或者公制单位；曲线图的多重叠加允许原始数据和一些力学测试结果瞬间对比。

应力应变显微探针系统的各项功能试验中，最需重点指出的是自动球压痕测试。利用自动球压痕测试可以通过非破坏性的无需取样试验，实现对材料性能的测试和评价，通过试验获得载荷-位移曲线，转化成真应力-真塑性应变曲线，并且后者还可以和在同一种金属材料上进行常规破坏性拉伸试验获得的相应曲线叠加。这种能力提供了自动球压痕获得的应力应变曲线与拉伸试验获得的应力应变曲线的瞬间对比。通过自动球压痕测试试验最终可以分析获得材料的综合性能，包含流动性能、屈服强度、应变硬化指数、强度系数、弹性模量、估算断裂韧度和极限抗拉强度等性能参数[14]。

SSM-B4000TM System型应力应变显微探针系统提供最大试验载荷17.80kN（约4000 lb），附带高低温环境箱，可在实验室内对材料在高温和低温（-157℃至800℃）下的材料性能进行分析和评价；SSM-M1000TM System型应力应变显微探针系统提供最大试验载荷4.5kN（约1000 lb），为便携式现场用试验设备，附带蓄电池供电，能开展现场在线测试，特别是针对服役中的压力管道开展在线测试，无需取样非破坏性试验，测试快速方便简单，对管道设备的正常运行几乎没有影响。

3.4 应力应变显微探针系统应用领域

应力应变显微探针技术与常规材料性能测试技术相比，具有显著的优越性，是一种非破坏性的试验测试技术，无需取样，现场和实验室均能使用。该测试技术非常适合应用于针对石油天然气长输管道、工业压力管道、市政燃气自来水管道的性能检测评价与安全服役保障，比如测试服役管道材质劣化程度、现场修复后的性能评估、服役管道热处理评估等。该测试技术也能广泛应用于相关压力容器、飞机、舰船、航空、钢制桥梁、石油钻井平台、地铁、坦克、工程结构件等领域，可以适用于碳钢、不锈钢、镍合金、锆合金及电子焊接材料等，而且对检测核工程用压力容器和管道的辐射导致脆化等也能适用[14-20]。此外，由于原始数据或者球压痕测试结果可以叠加，允许在各种测试位置测定材料性能的变化，所以对于焊接区域（焊缝和热影响区等）的性能变化

测试与评价具有重要意义。

4 结论

管道建设不断推进，已有管道服役时间不断增加，管道安全事故屡见不鲜，管道的安全服役和性能测试评价受到了越来越多的重视。当前现有管道评价与检测技术主要用于检测管道的剩余壁厚、管道表面裂纹、内外管壁腐蚀缺陷、管道输送介质泄漏等，而无法对服役管道进行在线的材料性能测试，在某种程度上使得服役管道因材料性能发生严重劣化而未能被及时发现或者检测到，从而引发管道安全事故。笔者创新性地引入了应力应变显微探针技术，针对管道开展在线或离线的压痕试验，进行材料性能测试与分析，为管道安全服役和稳定运行提供必要的保障，而且应力应变显微探针技术开展无损非破坏性试验，无需取样，可对管道性能进行在线测试，操作简单方便。所以，应力应变显微探针技术在管道安全与检测中将发挥重大作用，获得良好的推广应用前景。

参考文献

[1] 朱喜龙.我国油气管道发展的探讨[J]. 炼油与化工, 2005, 16(2): 4-9.

[2] 宋艾玲, 梁光川, 王文耀.世界油气管道现状与发展趋势[J]. 油气储运, 2006, 25(10): 1-6.

[3] 高爱茹, 钱程文. 国外管道公司的组织管理与发展[J]. 石油企业管理, 1999(8): 46-47.

[4] 张启波, 贾颖, 闫晓静. 石油天然气长输管道危险性分析[J]. 中国安全科学学报, 2008, 18(7): 134-138.

[5] 孙建桄. 长输管道交叉施工风险探讨[J]. 中国石油企业, 2010(3): 78-79.

[6] 林树青. 基于风险的埋地管道事故预防关键技术研究[C] // 压力管道技术研究进展精选集: 第四届全国管道技术学术会议. 北京: 化学工业出版社,

2010: 2-5.

[7] 国家质检总局特种设备安全监察局.细化特种设备安全监管[J]. 劳动保护, 2011(8): 92-94.

[8] 李林平.系统化管理管道安全巡查工作[J]. 劳动保护, 2011(8): 82-83.

[9] 李鹤林. 油气管道失效控制技术[J]. 油气储运, 2011, 30(6): 401-410.

[10] Starostin V. Pipeline disaster in the USSR: it had to happen, yet it could have been averted [J]. Pipes and Pipelines International, 1990, 35(2): 7-8.

[11] 轩福贞. 压力管道安全监测-评价的一体化技术[C] // 压力管道技术研究进展精选集: 第四届全国管道技术学术会议. 北京: 化学工业出版社, 2010:

6-11.

[12] 陈积懋. 管道无损检测与评价技术[J]. 石油化工设备技术, 1997, 18(1): 59-62.

[13] Tang J, Wang W Q, Li M L, et al. The exploration of evaluation of strain aging embrittlement in metallic materials using indentation test [C] // Tu S T, Wang Z D,

Sih G C. Structural Integrity in Nuclear Engineering. Shanghai: East China University of Science and Technology Press, 2011: 121-126.

[14] Haggag F M. Field indentation microprobe f or structural integrity evaluation: US, 4852397 [P]. 1989-08-01.

[15] Haggag F M, Wang J A, Sokolov M A, et al. Use of portable/in situ stress-strain microprobe system to measure stress-strain behavior and damage in metallic

materials and structures [C] // Lucas G, Stubbs D. Nontraditional Methods of Sensing Stress, Strain, and Damage in Materials and Structures: ASTM STP 1318.

Philadelphia: American Society f or Testing and Materials. 1997: 85-98.

[16] Haggag F M, Nanstad R K, Braski D N. Structural integrity evaluation based on an innovative f ield indentation microprobe [C] // Marriot t D L, Mager T R,

Bamf ord W H. Innovative Approaches to Irradiation Damage and Fracture Analysis: Proceedings of the ASME 1989 Pressure V essels & Piping Conf erence.

The American Society of Mechanical Engineers, 1989: 101-107.

[17] Haggag F M, Murty K L. A novel stress-strain microprobe f or nondestructive evaluation of mechanical properties of materials [C] // Liaw P K, Buck O,

Arsenault R J, et al. Nondestructive Evaluation and Materials Properties III. The Minerals, Metals & Materials Society, 1997: 101-106.

[18] Haggag F M, Nanstad, R K, Hutton, J T, et al. Use of automated ball indentation to measure f low properties and estimate f r acture toughness in metallic materials

[C] // Braun A A, Ashbaugh N E, Smith F M. Applications of Automation Technology to Fatigue and Fracture Testing. American So ciety f or Testing and

Materials, 1990: 188-208.

[19] Haggag F M. In-situ measurements of mechanical properties using novel automated ball indentation system [C] // Corwin W R, Haggag F M, and Server W L.

Small Specimen Test Techniques Applied to Nuclear Reactor V essel Thermal Annealing and Plant Life Extension. Philadelphia: Am erican Society f or Testing and Materials, 1993: 27-44.

[20] Murty K L, Haggag F M. Characterization of strain-rate sensitivity of Sn-5%Sb solder using ABI testing [C] // Liaw P K, V iswanathan R, Murty K L, et al.

Microstructures and Mechanical Properties of Aging Materials II. The Minerals, Metals & Materials Society, 1996: 34-44.