一种基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法

技术领域

本发明属于试验测试技术领域，具体涉及一种基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法。

背景技术

管道作为一种重要的工程结构，广泛应用于油气运输、核电、化工等领域。在加工和运输过程中，管道不可避免地存在缺陷、划痕；在实际使用过程中，在内部高压、腐蚀性介质、极端温度等各种载荷作用下，管道断裂事故时有发生，易引发大规模的泄漏和污染，甚至导致火灾和爆炸等灾难性事故。因此，对管道裂纹及时进行检测，以确保管道安全运行是当前行业面临的重要问题之一。

事实上，轴向裂纹失稳扩展是管道的主要破坏机制之一。在管道裂纹萌生和扩展初期，基于直流电位降法对管道轴向裂纹扩展速度进行检测，从而及时采取维修措施，可以有效避免裂纹失稳扩展。直流电位降法常用于测定导电构件的裂纹扩展速度，其设备简单，操作方便，可靠性高。直流电位降法依赖于参考试样和校准曲线。参考试样的尺寸和材料一般与被测试样保持一致，且其裂纹长度已知。校准曲线建立了电位探针之间电压与裂纹长度的关系，该曲线可由校准公式给出，也可通过数值模拟或实验确定。对于含裂纹的板状构件，其校准曲线多通过Johnson公式给出；而对于含裂纹的管道，校准曲线多采用数值模拟或实验确定，这导致曲线的建立成本较高且通用性较低。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法，本发明是基于直流电位降法，利用解析法修正传统的Johnson公式，获得适用于含轴向穿透裂纹管道构件的校准公式，建立管道轴向裂纹扩展速度测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法，包括如下过程：

被测试样的轴向上具有穿透管道壁厚的第一裂纹，被测试样上与第一裂纹的中垂面共面的圆周上设有第一电位探针、第二电位探针、第三电位探针、第四电位探针、第一电流探针和第二电流探针，其中第一电位探针和第二电位探针对称地位于第一裂纹的两侧，第一电位探针与第四电位探针关于被测试样的中心轴对称，第二电位探针和第三电位探针关于被测试样的中心轴对称，第一电流探针和第二电流探针关于被测试样的中心轴对称，第一电流探针和第二电流探针施加点之间的连线与被测试样上过第一裂纹的轴截面垂直；

参考试样与被测试样的材料以及几何尺寸相同，参考试样上设有第二裂纹和第三裂纹，第二裂纹和第三裂纹长度相同，第二裂纹在参考试样上的方位与第一裂纹在被测试样上的方位相同，第二裂纹和第三裂纹关于参考试样的中心轴对称，参考试样上设有第五电位探针、第六电位探针、第三电流探针和第四电流探针，第五电位探针、第六电位探针、第三电流探针和第四电流探针在参考试样上的位置分别与第一电位探针、第二电位探针、第一电流探针和第二电流探针在被测试样上的位置对应；

利用直流电位降测量方法，通过第三电流探针和第四电流探针给参考试样通以大小为I

利用直流电位降测量方法，通过第一电流探针和第二电流探针给被测试样通以大小为I的直流电流，记录第一裂纹扩展过程中第一电位探针和第二电位探针之间的电压U(a)随时间的变化关系、以及第三电位探针和第四电位探针之间的电压U(0)随时间的变化关系；

利用电流I

依据第一裂纹的长度随时间的变化关系，求解第一裂纹的长度对时间的导数，确定被测试样上第一裂纹的扩展速度。

优选的，第一裂纹的中点位于被测试样轴向的中间位置。

优选的：以管道轴线为Z轴，以管道其中的一个端面为XY平面，以该端面的圆心为原点，建立三维直角坐标系，所述管道为所述被测试样和参考试样，使得第一裂纹在XY平面的投影位于X轴正半轴，所述管道的长度为2W、直径为D，第一裂纹中点的坐标为(D/2,0,W)；

通过校准公式，利用电压U(a)随时间的变化关系和电压U(0)随时间的变化关系确定第一裂纹的长度随时间的变化关系；

所述校准公式如下：

I

式中：a为第一裂纹长度的一半；W为被测试样长度的一半；y为第一电位探针与第一裂纹中心之间的弧长；a

优选的，第一裂纹的扩展速度通过下式计算：

式中：v为第一裂纹的扩展速度；t为时间。

优选的，第二裂纹和第三裂纹的长度已知。

优选的，参考试样与被测试样均为管状试样。

优选的，第一裂纹为位于被测试样的轴向穿透裂纹，第二裂纹和第三裂纹为位于参考试样的轴向穿透裂纹。

优选的，通过直流电位降测量装置实现所述管道轴向裂纹扩展速度的测量。

优选的，所述直流电位降测量装置包括直流电源、第一纳伏表、第二纳伏表和计算机；

利用直流电位降测量方法，通过第一电流探针和第二电流探针给被测试样通以大小为I的直流电流，记录第一裂纹扩展过程中第一电位探针和第二电位探针之间的电压U(a)随时间的变化关系、以及第三电位探针和第四电位探针之间的电压U(0)随时间的变化关系时：将直流电源的两极分别与第一电流探针和第二电流探针连接，将第一电位探针和第二电位探针分别与第一纳伏表的两极连接，将第三电位探针和第四电位探针分别与第二纳伏表连接，第一纳伏表和第二纳伏表均与计算机连接；

利用直流电位降测量方法，通过第三电流探针和第四电流探针给参考试样通以大小为I

本发明具有如下有益效果：

本发明建立了一种基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法，引入一种含双裂纹的参考试样，利用直流电位降测量装置测得管道上电位探针间电压随时间的变化关系，通过理论推导出的校准公式，将其转化为裂纹长度随时间的变化关系，进而对其求导获得裂纹扩展速度。该测量方法设备简单，操作方便，所依赖的校准公式通用性高，可靠性强。

附图说明

图1是本发明基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量示意图；

图2是本发明被测试样上的电流探针、电位探针位安装置示意图；

图3是本发明参考试样上的电流探针、电位探针安装位置示意图。

图中，1-被测试样，2-第一电流探针，3-第三电位探针，4-第四电位探针，5-第二电流探针，6-第一电位探针，7-第二电位探针，8-第一裂纹，9-参考试样，10-第三电流探针，11-第三裂纹，12-第四电流探针，13-第五电位探针，14-第六电位探针，15-第二裂纹，16-直流电源，17-第一纳伏表，18-第二纳伏表，19-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1～图3，本发明基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法涉及被测试样1、参考试样9和直流电位降测量装置。

直流电位降测量装置包括直流电源16、电流探针、电位探针、纳伏表、电源线、信号线和计算机19。电流探针固定在试样(被测试样1、参考试样9)的特定位置上，同时通过电源线将电流探针与直流电源相连，为试样提供大小恒定的直流电流。电位探针固定在试样(被测试样1、参考试样9)的特定位置上，同时通过信号线将电位探针与纳伏表相连，电位探针用于采集在裂纹扩展过程中试样上特定位置的电位随时间的变化关系。采集到的电位随时间的变化关系传输到计算机中，确定每对电位探针之间的电压，进而获得电压随时间的变化关系。

本发明的被测试样1含有一条第一裂纹8，第一裂纹8沿被测试样1的轴向，在实验过程中，第一裂纹8不断扩展，第一裂纹8的长度2a(mm)不断变化。参考试样9与被测试样1的材料相同、几何尺寸一致，参考试样9含有两条长度相等、位置关于管道轴线对称的裂纹，分别为第三裂纹11和第二裂纹15。第三裂纹11和第二裂纹15的裂纹长度已知，均为2a

在被测试样1上布置一对电流探针(即第一电流探针2和第二电流探针5)，两对电位探针，第一对电位探针包括第一电位探针6和第二电位探针7，第二对电位探针包括第三电位探针3和第四电位探针4。在参考试样9上布置一对电流探针(即第三电流探针10和第四电流探针12)，一对电位探针(即第五电位探针13和第六电位探针14)。

为方便阐述电流探针和电位探针的位置，以管道(指被测试样1和参考试样9)轴线为Z轴，以管道一个端面(图2、图3中以底面)为XY平面，以该端面圆心为原点，建立三维直角坐标系，且使得被测试样1上的第一裂纹8在XY平面的投影正好在X轴正半轴。假设管道长度为2W(mm)，管道直径为D(mm)，裂纹(指第一裂纹8、第二裂纹15和第三裂纹11)中点距离管道两端距离相等，即裂纹中点的Z坐标为W。

被测试样1上的第一电流探针2的坐标为(0,D/2,W)，第二电流探针5的坐标为(0,-D/2,W)。被测试样1的两对电位探针的位置：(1)第一电位探针6和第二电位探针7的Z坐标均为W(mm)；(2)第一电位探针6和第二电位探针7在XY平面上的位置：分布在第一裂纹8两侧，第一电位探针6和第二电位探针7距离第一裂纹8中心的弧长均为y(mm)；第三电位探针3在XY平面上的位置与第二电位探针7的位置关于Z轴对称，第四电位探针4在XY平面上的位置与第一电位探针6的位置关于Z轴对称。

参考试样9上的第三电流探针10的坐标为(0,D/2,W)，第四电流探针12的坐标为(0,-D/2,W)。参考试样9的一对电位探针(即第五电位探针13和第六电位探针14)位置：(1)第五电位探针13和第六电位探针14的Z坐标均为W(mm)；(2)在XY平面上的位置：第五电位探针13和第六电位探针14分布在参考试样9上两个裂纹(即，第二裂纹15和第三裂纹11)之一的两侧，第五电位探针13和第六电位探针14距离裂纹(指的是第二裂纹15或第三裂纹11，图3中显示的是第二裂纹15)中心的弧长均为y(mm)。

给被测试样1通以大小为I(mA)的直流电流，可测得第一对电位探针之间电压U(a)(mV)，第二对电位探针之间电压U(0)(mV)。给参考试样9通以大小为I

校准公式建立了裂纹长度与电压之间的关系式。通过校准公式，可以将被测试样电压随时间的变化关系转化为裂纹长度随时间的变化关系。

校准公式如下：

I

式中：

W为管道长度的一半(mm)；

y为电位探针到裂纹中心的距离(mm)；

a为被测试样1上第一裂纹8长度的一半(mm)；

a

I为被测试样1所通直流电流的大小(mA)；

I

U(a)为被测试样1上第一电位探针6和第二电位探针7之间的电压(mV)；

U(0)为被测试样9上第三电位探针3和第四电位探针4之间的电压(mV)；

U(a

裂纹扩展速度计算公式如下：

式中：

v为第一裂纹8的扩展速度(mm/s)；

t为时间(s)。

本发明基于直流电位降法的管道轴向裂纹扩展速度测量方法的使用步骤如下：

步骤1：准备一个与被测试样1的材料相同、几何尺寸一致的参考试样9，参考试样9含有两条长度相等、位置关于管道轴线对称的裂纹(即第二裂纹15和第三裂纹11)。参考试样9上的这两条裂纹长度已知，均为2a

步骤2：利用直流电位降测量装置，通过电流探针给参考试样9通以大小为I

步骤3：利用直流电位降测量装置，通过电流探针给被测试样1通以大小为I(mA)的直流电流，记录裂纹扩展过程中两对电位探针之间的电压U(a)、U(0)随时间的变化关系；

步骤4：通过校准公式(式(1)～式(4))，将被测试样电压随时间的变化关系转化为裂纹长度随时间的变化关系；

步骤5：依据被测试样裂纹长度随时间的变化关系，求解裂纹长度对时间的导数(式(5))，确定被测试样的裂纹扩展速度。