利用超声波测量管道应力的理论基础是声弹性理论，即超声波在特定材料中传播速度的变化量 与材料应力变化量有数学关系。超声临界折射纵波（LCR）相比于其他形态的超声波，超声 LCR 波 对应力有更高的敏感性，基于声弹性原理和应力与 LCR 波飞行时间的线性关系，本课题组自主研发 了专门用于测量油气管道工作状态下应力的装置，集低功耗处理器、超声发射模块、超声接收模块、 时间测量电路模块、温度测量模块、液晶显示及交互模块和电源管理模块于一体。

       该装置能够适用于各种运行工况，对管道表面应力进行无损测量，时间测量精度提高到 0.1 ns 精度，应力测量误差为±10 MPa，可以准确给出危险点的安全裕度，对判断变形管道是否处于安全 运行状态有巨大工程应用价值。

       核心技术现已申请国家发明专利 4 项，获得省部级奖励 2 次。截至 2021 年 12 月，该成果已应 用在西气东输管线、陕京管线、中缅管线等国内重要管线以及中石油中石化油库、储气库、站场工 艺管线开展应力测量与安全评价，应用地点遍布中国 17 个省50 余个市，累计服务管道安全评价测 点超过 600 处。基于管道应力测量，团队可实现管道应力应变仿真、应力检测、应力控制为一体一 站式健康服务。

       技术特点及技术指标：

       现有超声波技术只能测量波传播方向上的单向应力，而运行期间管道是典型两向应力状态。 该项目自行研制了两向加载装置，实验研究了超声临界折射波在管道不同两向受力状态下的传播 规律，得到了波传播速度与管壁两向应力的定量关系；建立了误差源修正补偿模型有效提高测量 精度；得到了超声波在管线钢弹-塑性变形中的响应规律。

       1、研究得到超声临界折射纵波在管壁中传播速度与应力的定量关系

     （1）理论分析超声临界折射纵(LCR)波传播方向平行于加载方向时波传播速度与应力的关系 ,推导得到固定声程下超声 LCR 波传播时间和应力之间的线性关系。

     （2）开展了应力系数标定实验，得到了常用管线钢应力-声时差关系曲线。

        2、建立了超声法主要影响因素的修正模型

       超声波法属于敏感性测试技术，影响因素主要有温度、粗糙度和耦合状态。对这些影响因素进行系统性研究，并结合试验与理论定量确定其中部分影响因素的修正方案，建立修正模型，提 高超声波法应力测试精度与可靠性。

     （1）基于声弹性理论推导得到超声 LCR 波测试应力的基本公式，研究基本公式中材料参数与 温度的关系，明确了温度影响超声波测试应力的规律。

     （2）采用硅油、凡士林、甘油等耦合剂，分别施加不同耦合压力，比较 LCR  波飞行时间 t0 达到一个相对稳定的值所需要的时间，结合实验结果提出达到最佳稳定耦合状态的实验规范。

     （3）对不同粗糙程度的试件，采用相同的实验规程进行测试，得到粗糙度对实验结果的影响 程度，确定保证测量精度所需达到临界粗糙度值。

       3、推导了两向应力状态下纵波声弹性公式，提出了基于 LCR 波的管壁表面两向应力测试和计 算方法。

    （1）得到了平行和垂直方向应力对 LCR 波传播时间的影响规律，垂直方向应力的影响程度与 平行方向应力的影响程度的比值为所测管线钢的泊松比。

    （2）基于声弹性理论和广义胡克定律，推导了两向应力状态下纵波声弹性公式，为测量管壁 表面两向应力状态提供了理论基础。

    （3）提出了基于 LCR 波的管壁表面两向应力测量规程。

       Δ σ = Kσ Δ t                ｛σx  = (εx  + νεy )= (KεΔtx  + νKεΔty )= (Δtx + νΔty )

       lσy  = (εy  + νεx ) = (KεΔty  + νKεΔtx )= (Δty  + νΔtx )

      图 5  单向和两向应力状态下纵波声弹性公式

       4、研究出超声 LCR 波在管线钢弹-塑性变形中的响应规律，提出管线钢变形阶段的判断方法， 形成了基于超声 LCR 波的管道应力状态无损测量方法。。

    （1）测量了管线钢试件弹性到塑性形变过程中 LCR 波飞行时间及接收到的 LCR 波能量强度 变化，得到了超声 LCR 波传播时间和接收波相对强度在管线钢弹塑性变形中的响应规律。

    （2）结合位错阻尼理论和实验结果，提出以 LCR 波传播时间和接收波相对强度为指标的管线 钢变形程度（弹性/塑性阶段）的判断方法。

       应用领域：

       项目成果在以下 4 种场景开展了应用，（1）长输埋地管道在地质灾害下变形后的安全评价，用 于判断是否需要更换管段；（2）站场管线沉降、抬升后安全评价，给出维护建议；（3）针对承压管 道建设及运行过程中的危险点识别及监测，用于及时评价工程质量；（4）工业管道监督检验及定期 检验，用于工业管道风险识别。

超声应力测试仪还可以用于城市燃气管道、储罐、起重机等特种设备检验工作中。

现场应力检测

       投入需求：

       该成果已经初步实现产业化，后续投入为装置迭代研发、零件加工投入等。

       专利授权及申请情况：

       1 、国家发明专利：油气管道在线应力超声测量装置（授权）

       2 、国家发明专利：适应不同曲面的超声应力检测探头装置（授权）

       3 、国家发明专利：一种管道用便携式自动控制打磨装置（授权）

       4 、国家发明专利：钢板薄膜应力测试施力装置（授权）

      成果受资助及获奖情况：

       1 、中国石油科技创新基金项目，2017010965，油气管道在线应力超声波测试技术 研究，2017-09 至 2019-08；

       2 、技术服务，HX20190947，X80 管线钢超声波管道应力检测关键技术研究，2019- 12

       3 、技术服务，HX20201025，超声应力检测宽板拉伸对比试验技术服务合同，2020-

11 至 2020-12

       4 、中国发明协会发明创业奖，一等奖，高风险区油气管道应力测量关键技术及应 用，2021

       5 、中国石油和化学工业专利奖，优秀奖，油气管道应力计算和在线测量技术

       6 、中国石油和化学工业联合会，二等奖，油气管道应力计算和在线测量技术

       技术成熟程度：  已在产业中应用

       拟合作方式： ☑合作开发