T-CSCP0007-2023鋼質(zhì)管道非破壞極限承載能力檢測評價方法

T/CSCP0007—2023

鋼質(zhì)管道非破壞極限承載能力檢測評價方法

1范圍

本文件規(guī)定了鋼質(zhì)管道元件承載能力非破壞檢測的術(shù)語和定義、原理、評價方法、承載能力預(yù)測及

驗證的方法。

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與評

價方法研究。

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與評價方法研究。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(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

GB/T20801.5壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第五部分：檢驗與試驗

GB/T241金屬管液壓試驗方法

GB/T30821無損檢測數(shù)字圖像處理與通信

GB/T22039航空輪胎激光數(shù)字無損檢測方法

TSGD7002壓力管道元件型式試驗規(guī)則

3術(shù)語和定義

GB/T26929、GB/T150.1界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1應(yīng)變strain

管道元件在充壓過程中，某一方向上微小線段因變形產(chǎn)生的長度增量與原長度的比值。

3.2微應(yīng)變microstrain

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。

3.3極限承載能力ultimatebearingcapacity

管道元件經(jīng)爆破試驗后，所能承受的最大壓力值。

3.4非破壞性試驗non-destructivetesting

根據(jù)管道元件的信息，采用相應(yīng)的非破壞試驗壓力進行充壓下的承載能力試驗。

3.5破壞性試驗destructivetesting

不斷增加試驗壓力，直至是金屬管出現(xiàn)滲漏或爆裂的試驗。

[來源：GB/T241—2007，3.7]

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3.6數(shù)字圖像相關(guān)方法digitalimagecorrelation,DIC

利用在物體表面噴涂隨機散斑，通過在物體變形前后的散斑圖像中精確匹配對應(yīng)點，測量變形位移

等數(shù)據(jù)的非接觸式光學(xué)測量方法。

3.7異常變形區(qū)域abnormaldeformationregion

對管道元件進行微應(yīng)變測試，應(yīng)變分布云圖中呈條帶狀較周圍區(qū)域的應(yīng)變出現(xiàn)明顯差異的區(qū)域。可

認為是管道潛在的破斷區(qū)域，其在管件充壓過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起該區(qū)域異常形變并優(yōu)先發(fā)生失效。

3.8正常變形區(qū)域normaldeformationregion

在管道元件應(yīng)變分布云圖中，未出現(xiàn)明顯異常變形區(qū)域的一般觀察區(qū)域。

3.9管道元件pipingelement

本標準管道元件僅包括三通、彎頭、直縫鋼管以及螺旋縫鋼管。

3.10試驗溫度testtemperature

進行微應(yīng)變試驗和爆破時，管道元件殼體的金屬溫度。

4總則

4.1管道元件非破壞極限承載能力檢測工作應(yīng)滿足TSGD7002等國家相關(guān)法規(guī)標準的規(guī)定。

4.2本方法用于評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管。

4.3非破壞極限承載能力檢測是指：通過使用DIC技術(shù)結(jié)合小尺寸試樣得出微應(yīng)變評價模型，通過管

道元件微應(yīng)變測試獲得應(yīng)變云圖，通過計算應(yīng)變集中系數(shù)與模型對比，來預(yù)測管道元件極限承載能力的

方法。

4.4非破壞極限承載能力檢測工作包含六個步驟：獲取管件信息、判定充壓條件、微應(yīng)變測試、評估、

抽樣檢驗、記錄和報告，流程如圖1所示。

圖1極限承載能力檢測流程圖

5管件信息和測試條件

根據(jù)管件壁厚、管徑等信息，得到管道的理論失效壓力Pmax：

2t

P.........................................................................(1)

maxbD

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式中，σb為管體材料的實際抗拉強度，t為管壁厚度，D為管子外徑。

應(yīng)通過對照表1確定管道元件微變形的充壓程度。

表1管道微應(yīng)變測試條件

管道規(guī)格

管道材質(zhì)產(chǎn)品類型微應(yīng)變充壓程度/Pmax

管徑/mm壁厚/mm

L360螺旋縫鋼管700-90010-150.2

L555M螺旋縫鋼管1100-130015-200.2

L485M直縫鋼管800-100030-350.25

彎頭600-80010-150.3

Q235B

三通600-80010-150.3

6微應(yīng)變測試

6.1測試裝置

測試裝置圖2所示：

圖2微應(yīng)變測試裝置圖

將兩個高分辨率的2448×2048像素CCD攝像機作為一組DIC圖像采集設(shè)備，將多組DIC圖像采

集攝像頭放置在待測量管件觀測區(qū)周圍的專用門架上，采用LED燈進行照明，對管件表面進行360°

監(jiān)測。數(shù)字圖像相關(guān)方法原理如附錄A所示。

6.2試件前期準備條件

6.2.1管道元件兩端焊接封頭做成試驗系統(tǒng)。

注：焊接封頭時應(yīng)保證整管強度。

6.2.2對于焊接管件，需要先對焊縫進行滲透檢測或超聲波檢測等無損檢驗方式，確保焊縫焊接質(zhì)量良

好。

6.3獲取承壓過程中的數(shù)字圖像

6.3.1將需要檢測的管道元件放入爆破室。

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6.3.2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、無斑點形雜色區(qū)。

6.3.3晾干后噴灑黑色散斑，確保黑色散斑細小且分布隨機，每個像素區(qū)域有2-4個散斑為宜。

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)備放置在待測量管件觀測區(qū)周圍的專用門架上，采用LED燈進行照明。

然后開啟圖像采集。

6.3.5DIC圖像采集的同時開始進行管道充壓。通過增壓系統(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。當管道元件局部微應(yīng)變或正常變形達到0.25%時，

停止實驗。

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，則采用下述方法計算應(yīng)變集中程度。

6.4計算應(yīng)變集中程度

采用應(yīng)變集中系數(shù)k對應(yīng)變集中程度進行量化：

kam.....................................................................（2）

a

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評估方法

將步驟6.4計算的應(yīng)變集中系數(shù)k進行評估，評估方法如下表所示：

表2微應(yīng)變測試評估方法

應(yīng)變集中系數(shù)（K）評估結(jié)果

R1>k≥1合格

R2>k≥R1存疑

k≥R2不合格

注：R1和R2的具體數(shù)值見附錄B。

8管道爆破試驗

8.1爆破試驗管件數(shù)量

表3爆破試驗管件數(shù)量

評估結(jié)果爆破數(shù)量

合格0%

存疑50%

不合格100%

抽取50%評估結(jié)果為存疑的管件進行爆破檢驗，另外50%根據(jù)檢驗結(jié)果進行處置。

8.2爆破試驗流程

爆破試驗流程按照GB/T241金屬管液壓試驗方法進行。

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9實驗報告

試驗報告應(yīng)當包括下列內(nèi)容：

a）本標準號；

b）實驗?zāi)康模?/p>

c）試驗編號；

d）試驗方法，包括表面微形變基準線A；

e）試樣的標識及描繪（規(guī)格、材質(zhì)、類型）；

f）試驗升壓曲線及表面微形變二維圖；

g）試驗件變形前后外觀照片；

h）試件極限承載能力的評判結(jié)果，包括定性和定量的評定。

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附錄A

（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相機和計算機組成，如圖A.1所示。試驗過程中通過CCD相機

對試件進行垂直拍照并將采集的散斑照片實時保存在計算機中。DIC作為一種目標跟蹤技術(shù)，在概念上

非常簡單，是通過比較試件變形前后的散斑圖像間差異來計算試件的位移變化量信息。

圖A.1DIC圖像采集系統(tǒng)

A.2DIC原理

當物體受到外載荷作用時，待測物體的散斑會隨著待測物體的變形而發(fā)生形變，因此常通過觀測散

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)性匹配計算之前，需要對目標散斑圖進

行合理的劃分子集，其中子集的大小通常為步長的4倍。DIC的匹配計算過程如圖A.2所示，在散斑

圖像中選取目標子集(紅色方框)和目標像素點(紅色點)，其中圖A.2右邊兩張散斑圖為變形之后形貌，

通過匹配物體變形前后散斑圖中目標子集與目標像素點位置變化計算該子集在x、y、z三個方向的位

移偏置量。以此類推，通過計算觀測區(qū)域內(nèi)每個子集的位移偏移量可以計算出整個待測區(qū)域的位移場及

應(yīng)變場。

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圖A.2試件變形前后的散斑圖

DIC技術(shù)是通過相關(guān)函數(shù)匹配物體變形前后的散斑圖像上子集來提取物體表面各點的變形信息，如

圖A.3所示。將待測的散斑圖像劃分為若干個正方形子區(qū)，在變形前散斑圖像中取中心點為P(x0,y0)的

(2M+1)×(2M+1)像素大小的正方形子區(qū)作為參考子區(qū)而目標像素中心點P位置會隨著物體變形發(fā)生偏移，

變形后該點新的位置為P'(x0',y0')且二者的坐標關(guān)系如下:

x0'x0u

.................................................................（A.1）

y0'y0v

其中，u、v分別代表像素點變形前后x和y方向位移偏量。

在目標像素點周圍選取任意像素點Q(xi，yi)，形變后移動到Q'(xi',yi')，變形前后該點坐標關(guān)系為:

xQ'xixQ

................................................................（A.2）

yQ'yiyQ

Q點在待測物體形變前后子區(qū)間的灰度表達式如下：

f(Q)f(xi,yi)

...........................................................（A.3）

g(Q')g(xi',yi')

其中，f(Q)和g(Q)分別是Q點變形前后的灰度分布。

uQuuxxuyy..........................................................（A.4）

vQvvxxvyy..........................................................（A.5）

xxix0,yyiy0.......................................................（A.6）

將上式中未知矢量定義P=[u,ux,uy,v,vx,vy]T，為了進一步確定未知矢量P，需要利用相關(guān)系數(shù)C(f,g)

對變形前后的目標圖像進行相關(guān)性匹配，其中相關(guān)系數(shù)C(f,g)的定義為:

C(f,g)C(xi,yi,xi',yi').....................................................（A.7）

通過對上述函數(shù)進行最小值求解，可以找到與目標像素點最相關(guān)的子區(qū)，計算得到目標子區(qū)的位移

偏量，并以此類推遍歷整個待測區(qū)域的所有子集可得到整體位移場。

圖A.3變形前后參考圖像與形變后圖像子區(qū)間示意圖

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在進行參考圖像與目標圖像的相關(guān)匹配過程中，是通過對相關(guān)函數(shù)進行最小值求解來匹配最相關(guān)的

子區(qū)。當參考圖像與目標圖像的子區(qū)間完全匹配時，灰度差的絕對值總和是最小的。因此，常將灰度差

的絕對值總和達到最小作為確定最相關(guān)子區(qū)的判據(jù)。表A.1介紹了三種常見的相關(guān)函數(shù)公式，用于參考

圖像與目標圖像的相關(guān)匹配。在選擇判據(jù)函數(shù)時，需要根據(jù)具體情況考慮各種因素，并權(quán)衡可靠性、抗

干擾性和計算速度等要求。

表A.1三種常見的相關(guān)函數(shù)表

相關(guān)函數(shù)公式

2k12k1

v(x,y)u(x,y)

絕對差相關(guān)函數(shù)

C1x1y1

1255(2k1)2

2k12k12

最小差值平方和相關(guān)函數(shù)

C2v(x,y)u(x,y)

x1y1

2k12k1

v(x,y)u(x,y)

x1y1

正則化互相關(guān)函數(shù)C

32k12k12k12k1

v(x,y)2u(x,y)2

x1y1x1y1

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附錄B

（資料性）

評估方法的建立

B.1小尺寸試樣拉伸試驗及建立評估方法

B.1.1試樣制備

B.1.1.1進行了全壁厚試件和含缺陷全壁厚試件的拉伸試驗。拉伸板材取自待測X70鋼管，從整

管管段中切取全壁厚拉伸試樣，取樣位置、試樣尺寸如圖B.1所示。

B.1.1.2先后用240目、400目、800目、1500目、2000目砂紙對試樣表面進行打磨，使其塑性變

形區(qū)域光亮且無劃痕。

B.1.1.3打磨后采用電火花方法在試樣標距段中心制造人為缺陷，缺陷尺寸如表B.2所示。

注：缺陷的設(shè)計是模擬管道元件薄弱位置。

圖B.1全壁厚拉伸試件示意圖

表B.1缺陷尺寸

Ra/mmb/mmc/mm

14、6、8、10、1210

B.1.2噴漆處理

B.1.2.1在缺陷背面的塑性變形區(qū)域噴涂均勻的亞光白色底漆，確保底漆厚薄適中。

B.1.2.2晾干后噴灑黑色散斑，確保黑色散斑細小且分布隨機。

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。

B.1.3拉伸試驗及圖像采集

B.1.3.1將步驟B.1.2得到的試樣裝載至拉伸試驗機。

注：全壁厚試樣采用MTS810試驗機進行測試。矩形截面試樣采用LETRY-NL100試驗機進行試

驗。

B.1.3.2試驗在室溫下進行，采用位移加載方式。加載速度為2mm/min，屬于準靜態(tài)張力。在拉

伸過程中，圖像采集和位移加載同時進行。

注：圖像相關(guān)分析采用Vic-3D系統(tǒng)。

B.1.3.3將兩個高分辨率的2448×2048像素CCD攝像機放置在樣品前方的角度約為30°。采兩個

LED燈進行照明。

注：全壁厚試樣的子集大小為29×29像素，步長為7像素，表明Vic-3D軟件每7像素跟蹤一個子

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集。矩形截面試樣的子集大小為23×23像素，步長為5像素。

B.1.3.4拉伸測試后，將試樣從LETRY-NL100試驗裝置中取出，得到拉伸曲線數(shù)據(jù)和采集到的圖

像。

B.1.3.5使用Vic-3D軟件對采集的圖像進行相關(guān)性分析，獲得變形后的應(yīng)變分布，得到應(yīng)變分布云

圖。

B.1.4建立預(yù)測模型

B.1.4.1對試樣應(yīng)力進行計算，計算公式如下所示：

F

......................................................................（B.1）

A0

式中：F為試樣所受瞬時受力，A0為試樣標距段橫截面積。通過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，無缺陷試樣的應(yīng)變?nèi)缡紹.2所示：

F

.................................................................（B.2）

EEA0

式中：ε為試樣瞬時應(yīng)變；?為無缺陷試樣所受瞬時應(yīng)力；E為材料的彈性模量。

而對于含缺陷試樣，定義當量缺陷因子r*，r*的計算公式如式B.3所示：

A

rc0c.............................................................（B.3）

A00

式中，Ac為缺陷的最大橫截面積；?0為試樣的抗拉強度；??為缺陷強度，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度視為0，而實際管道中焊縫引起的缺陷強度略大于試樣

的抗拉強度。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、缺陷強度與材

料強度差距越大，缺陷對試樣影響越大，其當量缺陷因子越大。

因此含有缺陷試樣缺陷位置的瞬時應(yīng)變?nèi)绻剑˙.4）所示：

F

c..............................................................（B.4）

EA01r

由公式（B.3）（B.4）可知，缺陷的尺寸越大、缺陷與母材的強度差異越大，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。大量實驗結(jié)果表明，當應(yīng)變值≤0.25%時試樣應(yīng)變集中程度較?。ㄈ?/p>

圖B.2所示）；當應(yīng)變值≥0.40%時試樣產(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)變時的最大應(yīng)變增

加，說明缺陷的增大會導(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)進行表征，由于實際管道存在焊縫、孔洞等不同缺陷，這些不同的缺陷會導(dǎo)致試件局部強度的

差異導(dǎo)致局部應(yīng)變的增大或減小，最終它們都會引發(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)、(B.6)：

c

k,c0...............................................................（B.5）

0

0

k,c0................................................................（B.6）

c

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T/CSCP0007—2023

式中，?0為試樣平均應(yīng)變值0.25%。

因此可以通過給實際管道施加相同的應(yīng)變（0.25%），觀測此時的應(yīng)變集中程度，與小尺寸試樣缺

陷導(dǎo)致應(yīng)變集中系數(shù)進行對比，從而得到對應(yīng)含缺陷小尺寸試樣與不含缺陷小尺寸試樣強度差異，進而

對管道的極限爆破強度進行預(yù)測。

B.1.4.4通過對不同厚度的小尺寸試樣進行拉伸試驗的DIC檢測，得到系列全壁厚試件和含缺陷

全壁厚試件的應(yīng)變分布云圖。

圖B.2含不同缺陷試樣拉伸至0.25%應(yīng)變時的DIC云圖

(a)無缺陷；(b)b=4mm；(c)b=6mm；(d)b=8mm；(e)b=10mm；(f)b=12mm.

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T/CSCP0007—2023

圖B.3含不同缺陷試樣拉伸至0.40%應(yīng)變時的DIC云圖

(a)無缺陷；(b)b=4mm；(c)b=6mm；(d)b=8mm；(e)b=10mm；(f)b=12mm.

B.1.5建立評估方法

根據(jù)公式（B.1）—（B.6）計算得出：小尺寸試樣計算得應(yīng)變集中系數(shù)臨界值R1、R2。其中R1是

由施加0.25%應(yīng)變計算得出；R2是由施加0.40%應(yīng)變計算得出。

表B.2小尺寸試樣厚度與管道元件應(yīng)變集中系數(shù)臨界值

小尺寸試樣厚度R1R2

10-152.22.5

15-202.42.7

30-353.03.3

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T/CSCP

中國腐蝕與防護學(xué)會標準

T/CSCP0007—2023

鋼質(zhì)管道非破壞極限承載能力

檢測評價方法

（征求意見稿）

DetectionandEvaluationmethodofnon-destructiveUltimatebearingcapacity

ofSteelPipeline

2023年*月*日發(fā)布2023年*月*日實施

中國腐蝕與防護學(xué)會發(fā)布

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鋼質(zhì)管道非破壞極限承載能力檢測評價方法

1范圍

本文件規(guī)定了鋼質(zhì)管道元件承載能力非破壞檢測的術(shù)語和定義、原理、評價方法、承載能力預(yù)測及

驗證的方法。

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與評

價方法研究。

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與評價方法研究。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(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

GB/T20801.5壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第五部分：檢驗與試驗

GB/T241金屬管液壓試驗方法

GB/T3