李云飛，韋利明，萬 強，賈 東

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

X80管線鋼是我國目前油氣管道的主要用材，油氣管道長期高壓運行，與土壤、水分接觸或受地質(zhì)運動的影響，一定年限后會趨于老化，因管體腐蝕、穿孔、變形等機械損傷導(dǎo)致的管線泄漏事故時有發(fā)生。文章針對半穿孔損傷的應(yīng)力集中與金屬磁記憶信號特征開展實驗分析，相關(guān)研究對管道安全運行及災(zāi)害事故的預(yù)防具有參考價值。

金屬磁記憶檢測技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，俄羅斯Doubov教授[1]在第50屆國際焊接學(xué)術(shù)會議上提出并形成了一套全新的無損檢測與診斷技術(shù)-金屬磁記憶檢測技術(shù)（metal magnetic memory test）。國外磁記憶檢測相關(guān)研究中，Jiles等[2-3]對用于機械損傷檢測的剩磁測量方法，以及針對殘余應(yīng)力和損傷檢測的磁彈聲速方法等進行了綜述，這些方法與金屬磁記憶方法的區(qū)別在于外加磁場帶來的不便和導(dǎo)入的周邊結(jié)構(gòu)噪聲。波蘭西里西亞工業(yè)大學(xué)M.Roskosz等[4-5]采用剩磁場梯度對鐵磁材料殘余應(yīng)力分布進行了研究，表明兩者具有一定相關(guān)性。

國內(nèi)關(guān)于磁記憶法在損傷檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，主要集中在定性檢測應(yīng)力集中區(qū)域。裝甲兵工程學(xué)院徐濱士教授等[6-8]研究了多種鐵磁性鋼材試件拉伸、疲勞過程中磁信號的變化規(guī)律，能夠定性反映鐵磁材料中的應(yīng)力集中部位。黃松嶺等[9]研究了焊縫附近殘余應(yīng)力分布和試件表面磁感應(yīng)強度垂直分量的關(guān)系，表明二者具有較好的一致性。

綜合上述情況，本文設(shè)計了管線鋼半穿孔損傷拉伸試件，探究塑性損傷程度與誘發(fā)磁場強度的關(guān)系，為管線鋼構(gòu)件定量無損評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)與試件制備

1.1 力磁耦合實驗系統(tǒng)

本文自行搭建的力磁耦合實驗系統(tǒng)主要由損傷導(dǎo)入系統(tǒng)（MTS拉伸試驗機）、光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)和微量磁場檢測系統(tǒng)組成[10]。通過拉伸試驗機對管線鋼平板試件導(dǎo)入不同程度塑性損傷，模擬管線鋼在實際運行環(huán)境下因地質(zhì)運動或工作壓力下的疲勞或蠕變等引起的應(yīng)力集中和塑性變形損傷。

采用ARAMIS光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)對加載過程中不同時刻試件表面進行圖樣采集與分析計算，可實時檢測試件表面全場應(yīng)變分布情況。

對于實驗中管線鋼試件塑性損傷誘發(fā)磁場信號的檢測，本文采用Bartington單軸磁通門磁強儀，其空間分辨率為1 mm，最小磁場分辨率為1 nT，可對實驗中損傷試件表面磁場信號進行平面掃查。

1.2 試件制備

目前國內(nèi)埋地油氣管道主干線主要采用X80管線鋼，其服役一定年限后需要進行定期的全面檢測。本文針對X80管線鋼設(shè)計了半穿孔損傷類型拉伸試件，并從損傷背面進行檢測，以模擬管道內(nèi)部缺陷。

根據(jù)油氣管道常見缺陷類型和尺寸，設(shè)計了半穿圓孔平板試件，考察該類型損傷狀態(tài)下的誘發(fā)磁場特征規(guī)律。加工完成的試件如圖1所示。

設(shè)計加工的試件尺寸如下：中心半穿圓孔平板試件長300mm，寬50mm，厚5mm。試件中心半穿孔直徑為10mm，深度為2mm。

本文利用微磁場測量系統(tǒng)由西向東測量試件表面的誘發(fā)磁場分布，測試區(qū)域為試件表面中心長150mm、寬50mm的矩形區(qū)域，如圖2所示，同時給出了結(jié)果分析時在試件表面建立的局部坐標(biāo)系。

圖2 磁場強度測量區(qū)域與坐標(biāo)

2 金屬磁記憶影響因素研究

2.1 消磁處理對試件磁信號的影響

為了解消磁處理對試件表面磁記憶信號的影響，任意選定一半穿孔試件進行消磁處理后，采用磁通門微磁場測量系統(tǒng)在提離高度2mm時對試件表面測試區(qū)域磁記憶信號進行檢測。試件消磁前、后磁記憶信號分布曲面如圖3所示。

圖3 試件消磁前、后磁場法向分量分布

由圖可知，因機械加工制備，消磁前試件表面磁場強度法向分量在缺陷部位有明顯的突變，在缺陷兩側(cè)對稱分布。而消磁后試件表面磁場法向分量分布趨于規(guī)律，從一端到另一端呈線性增加或減小趨勢，沿X方向和沿Y方向磁場法向分量均有明顯梯度變化。為保證實驗結(jié)果的可比性，試件加載前均需進行消磁處理。

2.2 提離高度對磁信號的影響

金屬磁記憶檢測的提離高度對檢測結(jié)果影響較大，為了探究提離高度對磁記憶信號測試結(jié)果的影響，本文分別檢測提離高度為 5，10，15，20，30，50mm 下同一試件表面的磁場法向分量。

由檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著提離高度的增加，試件表面磁場法向分量曲面趨于平緩，損傷處的波峰波谷不再明顯。圖4給出了半穿孔損傷試件表面磁場法向分量峰谷變化幅值與測試提離高度的關(guān)系曲線。從圖中可見，法向分量Bz峰谷變化幅值隨提離高度增加大體呈指數(shù)衰減趨勢。

圖4 磁信號變化幅值與提離高度關(guān)系曲線

3 半穿孔試件檢測結(jié)果

實驗中對半穿孔損傷試件共加載7次，從ARAMIS光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)中提取應(yīng)變數(shù)據(jù)可得到試件各次加載后的應(yīng)變分布，第1，3次加卸載后應(yīng)變分布如圖5所示。

對導(dǎo)入不同程度塑性損傷后的試件表面依次進行磁記憶檢測，保持提離高度2 mm，檢測磁場法向分量Bz，得到不同塑性損傷程度下試件的磁記憶信號分布，第2，5次加卸載后磁記憶信號分布如圖6所示。

隨著加載次數(shù)的增加，特別是試件發(fā)生明顯屈服后，試件磁場法向分量在位移坐標(biāo)Y=0附近出現(xiàn)了左右對稱的拐點，加載越往后，拐點越明顯，這表明磁場法向分量Bz出現(xiàn)了明顯的過零點現(xiàn)象。

圖5 不同加載次數(shù)后試件表面應(yīng)變分布

4 實驗結(jié)果分析

為明確缺陷部位附近的磁記憶信號特征，取試件Y方向-25～25mm表面測試區(qū)域的磁記憶信號分析，在經(jīng)歷不同加載次數(shù)后，X=0基準(zhǔn)線上磁記憶信號曲線如圖7所示。

由圖可知，隨著加載次數(shù)增加，試件損傷誘發(fā)磁場幅值也逐漸增大，磁記憶信號曲線在試件中心集中損傷處均出現(xiàn)過零點。

對實驗結(jié)果中各次加載后試件的局部最大塑性應(yīng)變值Ey和損傷誘發(fā)磁場法向分量幅值Bz進行提取，數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，得到半穿孔試件塑性損傷與磁記憶信號的關(guān)系曲線如圖8所示。

由圖可知，X80管線鋼試件半穿孔損傷誘發(fā)磁場法向分量在低塑性損傷階段（約4%以下）具有較明確的表征關(guān)系，但在較大塑性損傷階段該磁記憶信號趨于不敏感。

圖6 不同加載次數(shù)后試件磁記憶信號分布

圖7 不同加載次數(shù)X=0基準(zhǔn)線試件磁場法向分量曲線

表1 試件最大局部塑性應(yīng)變與磁信號幅值

5 結(jié)束語

圖8 半穿孔試件塑性損傷與磁信號的關(guān)系曲線

本文基于金屬磁記憶檢測技術(shù)自行搭建力磁耦合實驗系統(tǒng)，對X80管線鋼半穿孔損傷試件的塑性損傷程度進行了無損評價研究，由實驗結(jié)果得出損傷程度與誘發(fā)磁場之間非線性關(guān)系曲線。結(jié)果表明磁記憶信號在較小塑性損傷情況下具有較明確表征關(guān)系，但在較大塑性損傷時不敏感。實驗結(jié)果可為X80管線鋼構(gòu)件塑性損傷的定量無損評估提供參考。

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