楊理踐　呂志鵬　高松巍　鄭福印　劉斌

摘要：針對應(yīng)力集中導(dǎo)致管壁發(fā)生屈服失效的問題，提出了利用磁各向異性檢測管壁應(yīng)力集中區(qū)域的方法。從能量角度出發(fā)，研究了應(yīng)力導(dǎo)致管壁產(chǎn)生磁各向異性的機理，建立了管壁當量應(yīng)力與磁各向異性探頭輸出電壓信號的數(shù)學模型，通過計算管壁的當量應(yīng)力判斷其是否發(fā)生屈服失效，搭建了應(yīng)力檢測實驗平臺。實驗結(jié)果表明，應(yīng)力會導(dǎo)致管壁產(chǎn)生磁各向異性，磁各向異性檢測方法能夠檢測出管壁當量應(yīng)力的變化趨勢和主應(yīng)力方向所在延長線的角度，進而判斷管壁是否產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。

關(guān)鍵詞：磁各向異性；管壁；屈服失效；第三強度理論；能量最低原理；能量守恒定律；磁化率；應(yīng)力集中區(qū)域

中圖分類號：TE832 文獻標志碼：A 文章編號：1000-1646（2024）01-0097-06

為了保障管道的安全運行，需要定期對其進行檢查與維護。管道在服役過程中，會受到內(nèi)壓、土壤和溫度等載荷的共同作用，局部應(yīng)力異常會導(dǎo)致管壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生屈服失效，出現(xiàn)疲勞裂紋以及應(yīng)力腐蝕裂紋。目前檢測應(yīng)力主要包括磁記憶、巴克豪森效應(yīng)和磁各向異性等磁學方法。

應(yīng)力會導(dǎo)致鐵磁性材料在不同方向上的磁學特性呈各向異性，利用這種特性可實現(xiàn)對材料的應(yīng)力檢測。OGNEVA等利用磁各向異性設(shè)計了由9個霍爾傳感器組成的圓形陣列式探頭，實現(xiàn)了對大型低碳鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的測量；張富臣等設(shè)計了磁各向異性檢測平臺，測量了Q195鋼板不同應(yīng)力條件下不同角度的磁滯回線，認為應(yīng)力磁各向異性與剪應(yīng)力有關(guān)；李立新等設(shè)計了同材料的三足、四足和六足結(jié)構(gòu)的磁各向異性探頭，對靜拉伸狀態(tài)下16MnR鋼件進行了探頭對比實驗，結(jié)果表明，六足結(jié)構(gòu)探頭靈敏度最高。

本文提出利用磁各向異性方法對管壁應(yīng)力集中區(qū)域進行檢測的方法。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論判斷管壁是否發(fā)生屈服失效，基于能量最低原理解釋了應(yīng)力導(dǎo)致管壁產(chǎn)生磁各向異性的原因，基于能量守恒定律建立了磁化率與應(yīng)力的數(shù)學關(guān)系，基于等效磁路法建立了管壁當量應(yīng)力與磁各向異性探頭輸出電壓信號的數(shù)學模型。

1 管壁應(yīng)力集中區(qū)域與磁各向異性

3.1 應(yīng)力致磁各向異性實驗

采用Q235鋼條進行單軸拉伸實驗，其體積為：600mm×60mm×16mm。將鋼條兩端夾持于萬能材料試驗機鉗口處，在彈性范圍內(nèi)對其進行靜態(tài)拉伸，應(yīng)力變化范圍為0-220MPa。探頭固定于鋼條中心位置，與鋼條中軸線的夾角分別為0°，30°，60°，90°，應(yīng)力每變化10MPa，探頭采集一次數(shù)據(jù)，不同角度下的實驗曲線如圖7所示。

由圖7可知，當探頭方向不變時，探頭輸出信號隨著應(yīng)力的增大而增大，且探頭輸出信號的變化越來越緩慢。即應(yīng)力會使材料內(nèi)部的磁化方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而改變探頭輸出電壓，且隨著應(yīng)力的增大，磁化方向趨于穩(wěn)定，逐漸形成穩(wěn)定的易磁化方向和難磁化方向。

3.2 鋼板主應(yīng)力方向檢測實驗

實驗試件為未知應(yīng)力狀況的鋼板，長度為200mm，寬度為200mm，厚度為8mm，在應(yīng)力待測位置粘貼45。直角應(yīng)變花。

實驗先利用探頭對待測位置應(yīng)力角度進行檢測，再利用小孔法對其進行檢測，以小孔法檢測數(shù)據(jù)為真實值，探頭檢測數(shù)據(jù)為檢測值，檢測結(jié)果對比情況如表1所示。

由表1可知，探頭對主應(yīng)力方向所在延長線的角度檢測誤差在16°以內(nèi)。誤差產(chǎn)生的原因：探頭擺放位置存在誤差；數(shù)據(jù)讀取存在視覺誤差；應(yīng)力使磁化強度方向旋轉(zhuǎn)，不能完全平行于應(yīng)力方向。

3.3 模擬管道當量應(yīng)力數(shù)值檢測實驗

實驗試件采用直徑為273mm，壁厚為7.5mm，長度為4700mm的Q235鋼管。兩端進行封閉處理，隨后向管道內(nèi)部壓人氮氣，內(nèi)壓在1-6MPa連續(xù)變化，模擬實際運行時油氣管道受力狀態(tài)。

實驗過程中，將應(yīng)變花貼在模擬管道上方軸向中心位置，應(yīng)變花0°方向沿著管道軸向方向，90°方向沿著管道環(huán)向方向，利用應(yīng)變儀采集90°方向的應(yīng)力值減去0°方向的應(yīng)力值得到其當量應(yīng)力，繪制出應(yīng)變儀檢測曲線。

探頭的擺放位置距離應(yīng)變花50mm處，且處于同一軸線。將探頭檢測的電壓信號轉(zhuǎn)換為當量應(yīng)力后，對其進行放大得到探頭檢測曲線，探頭檢測與應(yīng)變儀檢測的曲線對比如圖8所示。

由圖8可知，磁各向異性檢測曲線與應(yīng)變儀檢測曲線基本一致，證明可以利用磁各向異性方法對管壁當量應(yīng)力進行定性檢測。

3.4 模擬管道應(yīng)力集中區(qū)域檢測實驗

實驗試件采用直徑為273mm，壁厚為7.5mm，長度為1000mm的Q235鋼管。利用乙炔焊對管壁中心位置進行灼燒，灼燒半徑為50mm的圓形區(qū)域，隨后用冷水冷卻，使管壁產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。

沿管道軸向方向繪制5條直線作為檢測路徑，分別命名為路徑1、路徑2、…、路徑5，其中路徑3穿過圓形區(qū)域中軸線，每條路徑之間的距離均為45mm，長度均為300mm，實驗示意圖如圖9所示。

實驗過程中，探頭分別沿著檢測路徑1-5向前運動并進行數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，檢測信號受應(yīng)力的影響明顯，在應(yīng)力集中區(qū)域，信號出現(xiàn)明顯波動；在域環(huán)方向，區(qū)域外部與區(qū)域內(nèi)部的應(yīng)力方向相反；利用磁各向異性探頭可以定性檢測出管壁應(yīng)力集中區(qū)域的位置。

4 結(jié)論

本文利用磁各向異性檢測技術(shù)實現(xiàn)了對管壁應(yīng)力集中區(qū)域的檢測，得出結(jié)論如下：在應(yīng)力的作用下，管壁會形成易磁化方向和難磁化方向，產(chǎn)生磁各向異性；磁各向異性檢測方法可以檢測出管壁主應(yīng)力方向所在延長線的角度和管壁當量應(yīng)力的變化趨勢，判斷管壁是否發(fā)生屈服失效以及是否產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。

（責任編輯：景勇 英文審校：尹淑英）