TCSCP 0003-2024 鋼質(zhì)管道非破壞極限承載能力檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

DetectionandEvaluationmethodofnon-destructiveUltimatebearingcapacity2024年2月26日發(fā)布2024年2月26日實(shí)施T/CSCP0003--2024本文件參照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》，GB/T20001.4-2015《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第4部分：試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院、北京科技大學(xué)和中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院共同提出。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院、北京科技大學(xué)和中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：王昱、孫占遠(yuǎn)、劉智勇、王立賢、王胤森、李廣濤、李寧寧、趙博、劉超、代文賀、郭超、賈沈鹿、賈寶利、王同軍、馬君、王文娜。本標(biāo)準(zhǔn)為首次發(fā)布。1T/CSCP0003--2024鋼質(zhì)管道非破壞極限承載能力檢測(cè)評(píng)價(jià)方法本文件規(guī)定了鋼質(zhì)管道元件承載能力非破壞檢測(cè)的術(shù)語(yǔ)和定義、原理、評(píng)價(jià)方法、承載能力預(yù)測(cè)及驗(yàn)證的方法。本文件適用于管線鋼、碳鋼、奧氏體不銹鋼、鋁及鋁合金管道元件的極限承載能力非破壞檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究。本文件適用于鋼質(zhì)管道元件在服役前或服役后的極限承載能力非破壞檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T150.1壓力容器第1部分：通用要求GB/T26929壓力容器術(shù)語(yǔ)GB/T20801.5壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第五部分：檢驗(yàn)與試驗(yàn)GB/T241金屬管液壓試驗(yàn)方法GB/T30821無(wú)損檢測(cè)數(shù)字圖像處理與通信GB/T22039航空輪胎激光數(shù)字無(wú)損檢測(cè)方法TSGD7002壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T26929、GB/T150.1界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。管道元件在充壓過(guò)程中，某一方向上微小線段因變形產(chǎn)生的長(zhǎng)度增量與原長(zhǎng)度的比值。局部出現(xiàn)的尚未導(dǎo)致宏觀變形且未破壞管件的服役性能的應(yīng)變。管道元件經(jīng)爆破試驗(yàn)后，所能承受的最大壓力值。根據(jù)管道元件的信息，采用相應(yīng)的非破壞試驗(yàn)壓力進(jìn)行充壓下的承載能力試驗(yàn)。不斷增加試驗(yàn)壓力，直至是金屬管出現(xiàn)滲漏或爆裂的試驗(yàn)。[來(lái)源：GB/T241—2007，3.7]2T/CSCP00033.7異常變形區(qū)域abnormaldeformationregion3.8正常變形區(qū)域normaldeformationregion4.1管道元件非破壞極限承載能力檢測(cè)工作應(yīng)滿足TSGD7002等國(guó)家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。4.2本方法用于評(píng)估管道元件的極限承載能力，包括三通、彎頭、直縫鋼管以及螺旋縫鋼4.3非破壞極限承載能力檢測(cè)是指：通過(guò)使用DIC技術(shù)結(jié)合小尺寸試樣得出微應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)模型，通過(guò)管抽樣檢驗(yàn)、記錄和報(bào)告，流程如圖1所示。5管件信息和測(cè)試條件3管道材質(zhì)彎頭圖2微應(yīng)變測(cè)試裝置圖將兩個(gè)高分辨率的2448×2048像素CCD攝像機(jī)作為一組DIC圖像采集設(shè)備，將多組DIC圖像采集攝像頭放置在待測(cè)量管件觀測(cè)區(qū)周圍的專用門架上，采用LED燈進(jìn)行照明，對(duì)管件表面進(jìn)行360°監(jiān)測(cè)。數(shù)字圖像相關(guān)方法原理如附錄A所示。6.2.2對(duì)于焊接管件，需要先對(duì)焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)或超聲波檢測(cè)等無(wú)損檢驗(yàn)方式，確保焊縫焊接質(zhì)量良4T/CSCP0003--20246.3.2在管件的塑性變形區(qū)域噴涂均勻的亞光白色底漆，確保底漆顏色均勻、無(wú)斑點(diǎn)形雜色區(qū)。6.3.3晾干后噴灑黑色散斑，確保黑色散斑細(xì)小且分布隨機(jī)，每個(gè)像素區(qū)域有2-4個(gè)散斑為宜。注：白色底漆是為了覆蓋試樣表面的金屬光澤以免影響DIC圖像的采集。6.3.4將多組DIC圖像采集設(shè)備放置在待測(cè)量管件觀測(cè)區(qū)周圍的專用門架上，采用LED燈進(jìn)行照明。然后開(kāi)啟圖像采集。6.3.5DIC圖像采集的同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行管道充壓。通過(guò)增壓系統(tǒng)控制給管道元件增壓，其增壓能力和壓力傳感器精度、采集量程等應(yīng)滿足GB/T241金屬管液壓試驗(yàn)方法的一般要求。6.3.6繼續(xù)提升管道元件內(nèi)部壓力，直到出現(xiàn)微形變。當(dāng)管道元件局部微應(yīng)變或正常變形達(dá)到0.25%時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。6.3.7得到微變形管道元件的應(yīng)變分布云圖，分析應(yīng)變分布云圖，判斷是否存在異常變形區(qū)域。如存在異常變形區(qū)域，則采用下述方法計(jì)算應(yīng)變集中程度。6.4計(jì)算應(yīng)變集中程度采用應(yīng)變集中系數(shù)k對(duì)應(yīng)變集中程度進(jìn)行量化：其中，為應(yīng)變集中處的最大應(yīng)變，為均勻變形處的應(yīng)變。7評(píng)估方法將步驟6.4計(jì)算的應(yīng)變集中系數(shù)k進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估方法如下表所示：表2微應(yīng)變測(cè)試評(píng)估方法R1>k≥1R228管道爆破試驗(yàn)8.1爆破試驗(yàn)管件數(shù)量表3爆破試驗(yàn)管件數(shù)量抽取50%評(píng)估結(jié)果為存疑的管件進(jìn)行爆破檢驗(yàn)，另外50%根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處置。8.2爆破試驗(yàn)流程爆破試驗(yàn)流程按照GB/T241金屬管液壓試驗(yàn)方法進(jìn)行。T/CSCP0003--20249實(shí)驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：c）試驗(yàn)編號(hào)；d）試驗(yàn)方法，包括表面微形變基準(zhǔn)線A；e）試樣的標(biāo)識(shí)及描繪（規(guī)格、材質(zhì)、類型f）試驗(yàn)升壓曲線及表面微形變二維圖；g）試驗(yàn)件變形前后外觀照片；h）試件極限承載能力的評(píng)判結(jié)果，包括定性和定量的評(píng)定。6(資料性)數(shù)字圖像相關(guān)方法原理A.1DIC采集系統(tǒng)DIC采集系統(tǒng)由三角支架、CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，如圖A.1所示。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)CCD相機(jī)對(duì)試件進(jìn)行垂直拍照并將采集的散斑照片實(shí)時(shí)保存在計(jì)算機(jī)中。DIC作為一種目標(biāo)跟蹤技術(shù)，在概念上非常簡(jiǎn)單，是通過(guò)比較試件變形前后的散斑圖像間差異來(lái)計(jì)算試件的位移變化量信息。圖A.1DIC圖像采集系統(tǒng)當(dāng)物體受到外載荷作用時(shí)，待測(cè)物體的散斑會(huì)隨著待測(cè)物體的變形而發(fā)生形變，因此常通過(guò)觀測(cè)散斑圖像的變化獲得物體的變形信息。在散斑圖案變形前后的相關(guān)性匹配計(jì)算之前，需要對(duì)目標(biāo)散斑圖進(jìn)行合理的劃分子集，其中子集的大小通常為步長(zhǎng)的4倍。DIC的匹配計(jì)算過(guò)程如圖A.2所示，在散斑圖像中選取目標(biāo)子集(紅色方框)和目標(biāo)像素點(diǎn)(紅色點(diǎn)),其中圖A.2右邊兩張散斑圖為變形之后形貌，通過(guò)匹配物體變形前后散斑圖中目標(biāo)子集與目標(biāo)像素點(diǎn)位置變化計(jì)算該子集在x、y、z三個(gè)方向的位移偏置量。以此類推，通過(guò)計(jì)算觀測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)子集的位移偏移量可以計(jì)算出整個(gè)待測(cè)區(qū)域的位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)。78T/CSCP0003--2024在進(jìn)行參考圖像與目標(biāo)圖像的相關(guān)匹配過(guò)程中，是通過(guò)對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行最小值求解來(lái)匹配最相關(guān)的子區(qū)。當(dāng)參考圖像與目標(biāo)圖像的子區(qū)間完全匹配時(shí)，灰度差的絕對(duì)值總和是最小的。因此，常將灰度差的絕對(duì)值總和達(dá)到最小作為確定最相關(guān)子區(qū)的判據(jù)。表A.1介紹了三種常見(jiàn)的相關(guān)函數(shù)公式，用于參考圖像與目標(biāo)圖像的相關(guān)匹配。在選擇判據(jù)函數(shù)時(shí)，需要根據(jù)具體情況考慮各種因素，并權(quán)衡可靠性、抗干擾性和計(jì)算速度等要求。表A.1三種常見(jiàn)的相關(guān)函數(shù)表x1y1x1y132k12k12k12k132k12k12k12k12 9表B.1缺陷尺寸110T/CSCP0003--2024集。矩形截面試樣的子集大小為23×23像素，步長(zhǎng)為5像素。B.1.3.4拉伸測(cè)試后，將試樣從LETRY-NL100試驗(yàn)裝置中取出，得到拉伸曲線數(shù)據(jù)和采集到的圖B.1.3.5使用Vic-3D軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得變形后的應(yīng)變分布，得到應(yīng)變分布云B.1.4建立預(yù)測(cè)模型B.1.4.1對(duì)試樣應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下所示：00式中：F為試樣所受瞬時(shí)受力，A0為試樣標(biāo)距段橫截面積。通過(guò)該式得到全壁厚試樣和缺陷試樣的拉伸曲線。B.1.4.2為了建立缺陷尺寸與外加應(yīng)變的關(guān)系，無(wú)缺陷試樣的應(yīng)變?nèi)缡紹.2所示：F（B.2）0EEA0式中：ε為試樣瞬時(shí)應(yīng)變；為無(wú)缺陷試樣所受瞬時(shí)應(yīng)力；E為材料的彈性模量。而對(duì)于含缺陷試樣，定義當(dāng)量缺陷因子r*，r*的計(jì)算公式如式B.3所示：B.3）式中，Ac為缺陷的最大橫截面積；0為試樣的抗拉強(qiáng)度；為缺陷強(qiáng)度，一般與缺陷類型有關(guān)，例如，本文中引入的缺陷拉伸試樣中的缺陷強(qiáng)度視為0，而實(shí)際管道中焊縫引起的缺陷強(qiáng)度略大于試樣的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)式（B.3）的定義，可以得知，缺陷的橫截面積占材料橫截面積越大、缺陷強(qiáng)度與材料強(qiáng)度差距越大，缺陷對(duì)試樣影響越大，其當(dāng)量缺陷因子越大。因此含有缺陷試樣缺陷位置的瞬時(shí)應(yīng)變?nèi)绻剑˙.4）所示：由公式（B.3B.4）可知，缺陷的尺寸越大、缺陷與母材的強(qiáng)度差異越大，試樣在彈性變形階段缺陷所導(dǎo)致的應(yīng)變集中程度越大。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變值≤0.25%時(shí)試樣應(yīng)變集中程度較?。ㄈ鐖DB.2所示當(dāng)應(yīng)變值≥0.40%時(shí)試樣產(chǎn)生大量應(yīng)變集中（如圖B.3所示）。因此，取試樣彈性變形階段應(yīng)變值0.25%，從圖B.2中可以看出，隨著缺陷深度的增加，試樣拉伸至0.25%應(yīng)變時(shí)的最大應(yīng)變?cè)黾?，說(shuō)明缺陷的增大會(huì)導(dǎo)致在試樣拉伸相同應(yīng)變的情況下應(yīng)變集中程度增大。應(yīng)變集中程度可以用應(yīng)變集中系數(shù)進(jìn)行表征，由于實(shí)際管道存在焊縫、孔洞等不同缺陷，這些不同的缺陷會(huì)導(dǎo)致試件局部強(qiáng)度的差異導(dǎo)致局部應(yīng)變的增大或減小，最終它們都會(huì)引發(fā)試件的斷裂，因此可以將應(yīng)變集中系數(shù)表示為式B.5）式中，ε為試樣平均應(yīng)變