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 pipelinesecurity and detectionTANG 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]。