无缝钢管残余应力不确定度的检测方法技术领域
本发明涉及一种检测技术，具体说，涉及一种无缝钢管残余应力不确定度的检测
方法。
背景技术
到目前为止，无缝钢管的残余应力测试方法没有标准，部分采用理论计算的方法
估算，采用贴片法实际测量未见报道，也没有人专门进行研究，到底钢管各部位的应力变化
均不清楚。
残余应力物理测试方法采用的有：X射线法、磁性法、脆性涂料法、光学法、声学法、
电阻应变片法，其中电阻应变片法是国内外比较公认的一种方法，钢轨的残余应力测试目
前采用贴片法，执行欧洲EN13745-1标准。
美国石油协会提供了一套标准API 5C3，利用“环切法测试套管残余应力”的计算
方法，但没有推荐和硬性规定必须采用此方法；因为残余应力测试方法很多，采用现有的设
备测量，准确反映无缝钢管实际应力值，是我们的此次课题的重点研究方向；从检测结果表
明，环切法测试套管残余应力的计算方法，存在不确定度偏大，主要原因是人为性、测量工
具误差等。贴片法是通过计算机计算处理直接算出应力值，人为性很小。
近年来，人们对工件的测量的精确度逐渐重视，测量不确定度是指“表征合理地赋
予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”。测量不确定度从词义上理解，意味着
对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个
参数。实际上由于测量不完善和人们的认识不足，所得的被测量值具有分散性，即每次测得
的结果不是同一值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。虽然客观存在的系
统误差是一个不变值，但由于我们不能完全认知或掌握，只能认为它是以某种概率分布存
在于某个区域内，而这种概率分布本身也具有分散性。测量不确定度就是说明被测量之值
分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。
测量不确定度从词义上理解，意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不
肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。实际上由于测量不完善和人们的认识
不足，所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，而是以一定的概率分散
在某个区域内的许多个值。
现有技术中，缺少一种检测无缝管残余应力不确定度的技术手段。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种无缝钢管残余应力不确定度的检测方法，能
够减少误差，提高检测效率。
技术方案如下：
一种无缝钢管残余应力不确定度的检测方法，包括：
将钢管表面打磨、酒精清洗后，应变片垂直钢管轴线依次贴于选定的各贴片点，使
用应力仪测出钢管的初始应力值；
在钢管上确定钢管切口的位置沿轴线方向纵刨，使用应力仪测出钢管的应力值，
得出钢管的不确定度；
在钢管上确定钢管切口的位置沿轴线方向纵刨，使用应力仪测出钢管的应力值，
按照残余应力公式计算钢管环向残余应力，其中，
为切开前套管平均外径；为切开后套管平均外径；E＝2.1×105MPa；t
＝实测壁厚平均值；μ＝0.3，得出钢管的不确定度。
进一步：使用应力仪测出钢管的初始应力值时，将钢管表面打磨、酒精清洗后选取
钢管切口和贴片点；贴片点在钢管切口处90度正下方及距离切口的25mm处；在钢管上贴接
线柱，将接线柱与应变片和仪器用导线连接，测初始应力值，系统清零。
进一步：应力仪测出钢管切口处90度正下方应力值和钢管切口的25mm处的应力
值。
进一步：钢管环向残余应力的正值为拉应力，负值为压应力。
进一步：输入量Di的不确定度来源包括卡尺重复测量、卡尺在读数时地对线误差、
卡尺的示值误差。
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
本发明提供了一个检测无缝管残余应力不确定度的新方法，从计算结果来看，贴
片法远远低于环切法的不确定度。本发明简便、准确、快捷，能够减少误差，提高检测效率。
附图说明
图1是本发明中确定贴片点的示意图；
图2是本发明中沿轴线方向纵刨的示意图；
图3是本发明中在贴片点粘贴应变片的示意图。
具体实施方式
下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够
以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得
本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
如图1所示看是本发明中确定贴片点的示意图；如图2所示，是本发明中沿轴线方
向纵刨的示意图；如图3所示，是本发明中在贴片点粘贴应变片的示意图。
取500mm长管样(4#、5#、6#三根钢管)，自中心对称间隔150mm，确定1、2、3三点，分
别测试其切开前外径D1、D2、D3；在1、2、3点90度正上方纵向切开钢管试样，再次分别测试其
切开后外径D1'、D2'、D3'；测量结束后，在1、2、3点处横向切开试样，分别各对称测量8点壁
厚值，24个点壁厚值取平均，作为实测壁厚平均值t。
测量4#、5#、6#管子的初始直径，然后进行各点的应变片2测量，测量点数16点，由
于1#、2#、3#钢管测量结果误差很小，为减少工作量，钢管切口1处90度正下方贴应变片2的8
个，钢管切口1处25mm处贴8个，包括环切法测量的3个。先测初始值，平衡测量结果，系统清
零，认为以前的各种误差(如导线长度、应变片的贴法、胶的厚度等等)系统全部认为零状
态，切后的应力释放值为测量结果，减少了测量误差。
无缝钢管残余应力不确定度的检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：将钢管表面打磨、酒精清洗后，应变片2垂直钢管轴线依次贴于选定的各贴
片点，使用应力仪测出钢管的初始应力值；
步骤11：将钢管表面打磨、酒精清洗后选取钢管切口1和贴片点；
钢管切口1处90度正下方应变片2的16个贴片点(或者8个贴片点)；及距离切口1的
25mm处16个贴片点(或者8贴片点)测试；其选者原则与API 5C3“美国石油协会”标准提供的
测试方法相对应。
灵敏度校验：
1)采用标准应变电阻箱测试，其范围100με、300με、1000με、3000με、10000με；定期
测量；
2)应变电阻片：电阻119.9±0.1Ω、规格3×3mm；
3)仪器检测系统不确定渡：不大于0.5％±0.621Mpa；
4)残余应力值δ＝400MPa时，不确定度最大才为0.82MPa
步骤12：在钢管上贴接线柱，将接线柱与应变片2和仪器用导线连接，测初始应力
值，系统清零。
步骤2：在钢管上确定钢管切口1的位置沿轴线方向纵刨，使用应力仪测出钢管的
应力值；
应力仪测出的4#、5#、6#钢管切口1处90度正下方应力值和钢管切口1的25mm处的
应力值。
步骤3：按照残余应力公式计算钢管环向残余应力；
残余应力公式：
其中
为切开前套管平均外径；
为切开后套管平均外径；
E＝2.1×105MPa；
t＝实测壁厚平均值；
μ＝0.3；
计算结果，正值为拉应力，负值为压应力。
步骤4：按照不确定度传递公式来得出钢管的不确定度。
1、输入量Di的不确定度来源主要受三方面因素影响。
a.卡尺重复测量。b.卡尺在读数时地对线误差。C.卡尺的示值误差。
分别对以下三方面进行不确定度的评定，测量结果如下：
不确定度传递公式：
当被测量时，估计值相互独立，被测量的估计值的标准不确定度，用贝塞尔公式
计算。
以4#试样为例，切割前Di 9次测量平均值的标准偏差有不确定度的A类计算方法
给出：
2、游标卡尺对线不准引入的标准不确定度uB1。
对于分度值为0.02mm的游标卡尺，估计对线误差为±0.01，包含因子由此
引起的不确定度：
3、游标卡尺示值误差引入的标准不确定度uB2
游标卡尺检定合格，游标卡尺说明书给出其最大值允许误差为±0.02mm，服从均
匀分布，区间半宽度a2＝0.02mm，包含因子由此引起的不确定度：uB1＝a2/k2＝
0.0115mm。
4、合成不确定度uB(Di)＝(u2B1+u2B2+u2A(Di))1/2＝0.038mm；
5、4#扩展后不确定度评定u(δ)＝K uC(δ)＝2×3.94MPa＝7.88MPa。
同理5#、6#管子的扩展后不确定度经计算后分别为：
u(δ)5＝K uC(δ)＝2×3.98MPa＝7.96MPa；
u(δ)6＝K uC(δ)＝2×3.67MPa＝7.34MPa
现场取样20支，规格为Ф180×10×500mm的钢管，对10只进行了环切法的计算数
据的测量和贴片法的贴片检测及金相、力学化学成份测量，其中9根是进行环切法和贴片法
的测试和金相及化学分析，为了使检测结果更有可比性，环切法和贴片法同时在一根管子
上检测进行数据对比；另一根进行拉力实验。为了使环切法和贴片法数据一致，按API 5C3
“美国石油协会”标准提供的切割方法，采取纵向切割法进行测试。
表1 4#、5#、6#钢管切口处90度正下方残余应力应变片测试：单位：Mpa
表2距缺口25mm位置应变片测试点应力值
1
+851
+180
1
+901
+190
1
+946
+200
2
+1119
+230
2
+748
+150
2
+936
+190
3
+966
+200
3
+790
+160
3
+763
+160
4
+747
+150
4
+893
+180
4
+802
+170
5
+1274
+260
5
+803
+170
5
+842
+170
6
+452
+94
6
+535
+110
6
+846
+180
7
+1525
+320
7
+844
+170
7
+1003
+210
8
+942
+190
8
+901
+190
8
+699
+140
平均值
+985.00
+203.89
平均值
+801.88
+165.99
平均值
854.63
+176.90
表3 4#、5#、6#三根管子未刨前原始三点的直径测试单位：mm
三根钢管切开前三点的平均直径：
Di4＝(179.32+179.32+179.50)/3＝179.38mm
Di5＝(179.42+179.35+179.41)/3＝179.39mm
Di6＝(179.32+179.29+179.32)/3＝179.31mm
表4 4#、5#、6#三根管子刨后三点的直径测试单位：mm
三根钢管刨后三点的平均直径：
Df4＝(181.90+181.76+181.84)/3＝181.83
Df5＝(181.82+181.64+181.64)/3＝181.70
Df6＝(181.82+181.92+182.00)/3＝181.91
表5 4#、5#、6#三根管子刨后三点的壁厚测试值单位：mm
4#、5#、6#三根管子刨后三点的壁厚测试值：
t4＝9.79mm；t5＝9.85mm；t6＝9.90mm。
把数据代入环切法计算公式得：
σ4＝169.70Mpa；σ5＝161.09Mpa；σ6＝182.10Mpa；
结果：4#钢管环切法计算应力值为+169.70Mpa、5#钢管应力值为+161.09Mpa、6#钢
管应力值为+182.10Mpa。
两种方法的比较比较：
相同点(1)钢管全部都受拉应力；(2)数值都在一个数量级以内误差很小；(3)所有
数据均为计算值大于仪器检测值；
不同点：(1)从方法上计算比检测值较复杂；(2)误差值不相同；最大+7.07Mpa,最
小+3.21Mpa。
计算表明：贴片法测量的不确定度远远小于环切法。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种
形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的
细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等
效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。