310S不锈钢导流筒对工作磁场磁感应强度分布的影响

杜洪奎,林志良,陆德康,蔡艳西

(1.中国计量学院 质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018;2.宁波东海集团水道仪表有限公司,浙江 宁波 315181)

310S不锈钢导流筒对工作磁场磁感应强度分布的影响

杜洪奎1,林志良2,陆德康2,蔡艳西2

(1.中国计量学院 质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018;2.宁波东海集团水道仪表有限公司,浙江 宁波 315181)

应用B-H(J-H)测定仪分别对拉伸、压缩变形后的310S不锈钢和310S不锈钢焊接件导磁性能进行测试,结果表明，3%～15%变形率的310S磁导率μ=1.0,没有形成典型的磁滞回线;线性回归后,剩磁Br=0.0055～0.117GS,属弱磁性材料,但比空气导磁性要强.承受90～120 t压力压缩变形后的310S不锈钢板,其导磁性能与拉伸变形后的310S相似,属弱磁性材料.310S不锈钢焊接件磁导率μ=1.0～1.2,有典型的磁滞回线,最大磁导率平均值为1.044,圆柱永磁体能被吸引而发生滚动,导磁性能明显增强.应用XYZ三维磁场扫描仪对不锈钢有缝管内腔磁感应强度进行测试,结果表明，310S不锈钢有缝管(φ273×4×200)对磁感应强度分布的影响属千分之一级的.

310S不锈钢;310S焊接件;磁滞回线;磁感应强度

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律而开发出的测量仪表,由于微弱的励磁电流产生的磁场,其强度与地磁场相当,任何对工作磁场的不良影响都会影响仪表的计量精度[1].

电磁流量计主体结构为导流筒,其材质多采用无磁或弱磁不锈钢,对大口径(如DN200以上)流量计,其导流筒的加工多采用卷板、焊接工艺,属有缝钢管.对于奥氏体不锈钢,当其发生塑性形变时,这种过饱和、不稳定的奥氏体组织将发生马氏体相变[2-5],因为马氏体是导磁的,材料磁性会发生相应变化;同时,焊接时其化学成分、微观组织会发生改变,材料导磁性能也会改变[6-8].

随着电磁流量计技术向高精度、高量程比、低功耗、长寿命、高稳定性方向的发展,开展不锈钢材料在冷加工或焊接条件下导磁性能的变化规律,大口径导流筒对工作磁场磁感应强度分布的影响研究具有重要意义.本文以310S不锈钢大口径(φ273×4)焊管为对象开展其对工作磁场的影响规律研究.

1 310S不锈钢冷加工条件下的导磁性能测试与分析

1.1 310S不锈钢拉伸变形条件下的导磁性能

试样尺寸为:300×40×4,3件,材质:310S(Cr25Ni20),其拉伸变形率分别为:3%、8%、15%,如表1.在万能材料试验机上进行.将拉伸后的试样切割成磁性能测试标准试样,长度为100 mm,其拉伸变形率分别为3%、8%、15%.磁性能测试设备为B-H测定仪(德国).3%变形率310S不锈钢拉伸试样磁滞回线为B-H、J-H曲线,如图1.

表1 拉伸试样塑性变形率

图1 3%变形率310S不锈钢拉伸试样磁滞回线Figure 1 Hysteresis loop of 3% strain 310S stainless steel

拉伸变形率为8%、15%拉伸试样磁滞回线与图1基本一样,从图中来看,根本没有形成完整的磁滞回线,说明型310S不锈钢拉伸变形后属于非铁磁性材料.仪表记录数据为:剩磁Br=0,磁导率μ=1,材料不导磁.

考虑到B-H测定仪的计量精度,应用记事本打开J-H原始数据记录,仍可粗略画出J-H磁滞回线.以15%变形率310S不锈钢拉伸试样为例,现取几组典型数据,进行线性回归,典型数据如表2.

表2 典型数据

回归曲线方程为

J=5.505×10-7+3.673×10-6H.

由公式B=μ0H+μ0χH=μ0H+J,当H=0时,B=J,即Br=Jr,即为剩磁.

由回归曲线方程知,当H=0时,Br=Jr=5.505×10-7(T)=0.005 5(GS),可见材料剩磁很小.同理可得8%变形率310S不锈钢拉伸试样的剩磁Br=Jr=0.117(GS),可见材料剩磁也很小.

根据实验数据,15%变形率310S不锈钢材料最大外磁场强度为56.8 kA/m,对应的J值为0.000 151(T),真空磁导率μ0=1.256×10-6(T·m/A),根据J=μ0χH,可得

χ=2.117×10-3.

磁化率在10-3～10-6范围属于顺磁材料,也属于弱磁性材料.与空气磁化率10-7数量级相比,比空气导磁性要强.

1.2 310S不锈钢压缩变形条件下的导磁性能

磁性能测试标准试样尺寸为100×40×3.8,3件,其所受压力分别为90、105、120 t,材料均进入塑性状态,310S不锈钢压缩试样磁滞回线曲线与拉伸试样相似,没有形成完整的磁滞回线,仪表记录数据为:剩磁Br=0,磁导率μ=1,也属于弱磁性材料.

2 310S不锈钢焊接条件下的导磁性能测试与分析

对于大口径(DN200以上)310S型不锈钢制导流筒,必须采用卷板机卷制、焊接圆筒,焊缝结构残磁的大小同样会影响导流筒工作磁感应强度的分布.为了研究焊缝结构的导磁性能,本课题对310S型不锈钢焊缝结构进行了一系列磁性能测试.

标准试样尺寸为100×40×3.8,数量6件,如图2.实验设备是B-H测定仪,XYZ三维磁场扫描仪.

图2 310S型不锈钢焊接试样Figure 2 310S welding specimens

图3 1#焊接板磁滞回线Figure 3 Hysteresis loop of 1# welding specimen

磁性能测试结果,如图3和表2.

表3 焊接板实验结果

由上述5个焊接试板的测试数据可知,其最大磁导率μ=1.0～1.2,最大磁导率平均值为1.044.线性回归后剩磁Br=-0.015～0.278 GS.

实验证明:放在桌面上的圆柱永磁体,当靠近焊缝约3～4 mm时,圆柱永磁体将被吸引而发生滚动.

3 大口径导流筒对工作磁场磁感应强度分布的影响

为了研究经冷加工、焊接不锈钢钢管对工作磁场的影响及影响程度,分别采用便携式高斯计和XYZ三维磁场扫描仪对不锈钢有缝管内腔磁感应强度进行测试.测试仪器与装置如图4.

图4 XYZ三维磁场扫描仪Figure 4 XYZ 3D magnetic scanner

3.1 筒内测量结果

不锈钢钢管规格φ273×4×200,机器探头位于钢管中部,测钢管直径上的磁感应强度分布,测点间距为10 mm,如图5.磁感应强度沿直径分布如图6.

图5 磁感应强度分布测点Figure 5 Test points for magnetic flux density

图6 磁感应强度沿直径分布图Figure 6 Magnetic flux density distribution

3.2 空气中测量结果

在3.1的测量实验中,将不锈钢钢管移开,探头位置不变,用同样的程序,在同样的测点位置测量磁感应强度.

3.3 实验结果分析

由测试数据可知,空气中的磁感应强度有少量增大,将二者的偏差绘制在图7中,很明显,在绝大多数的测点上,空气中的磁感应强度比不锈钢钢管中的要大.

图7 磁感应强度偏差分布图Figure 7 Deviation of magnetic flux density

由前述的测试可知,310S型不锈钢属弱磁性材料,而焊缝的导磁性又有所增大,对于310S型不锈钢管结构来说,具有一定的导磁性能,比空气要强,磁阻小.不锈钢管在外加磁场的作用下,管壁中磁力线密度要大,而管腔内磁力线密度要小,所以管腔内的磁感应强度比空气中的小,实验结果也证实了这一点.

以实验中的最强点数值进行对比分析,空气中B1=24.599 GS,钢管中B2=24.577 GS,二者偏差百分比

可见,310S不锈钢管对磁感应强度分布的影响属千分之一级的.

4 结 语

1)3%～15%拉伸变形的310S不锈钢材料属顺磁材料,也属于弱磁性材料,比空气导磁性要强.磁导率μ=1,线性回归的剩磁Br=Jr=0.005 5～0.117 GS,材料剩磁很小.

2)310S不锈钢压缩屈服变形后属于弱磁性材料,比空气导磁性要强.

3)310S不锈钢焊接结构导磁性能优于拉压变形后的310S不锈钢,最大相对磁导率μ=1.0～1.2,最大磁导率平均值为1.044,线性回归后剩磁Br=0.015～0.278 GS.

4)310S不锈钢管(φ273×4×200)对磁感应强度分布的影响属千分之一级的.

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Influence of 310S stainless large diameter guide cylinder on working magnetic flux

DU Hongkui1, LIN Zhiliang2, LU Dekang2, CAI Yanxi2

(1. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Ningbo Donghai Group Water Meter Ltd, Ningbo 315181, China)

The magnetic conduction properties of 310S stainless steel and stainless weldings after tensile or compresion deformation were studied with the B-H(J-H) detector. The result showed that the magneto conductivity(μ) of 310S stainless steel with 3%—15% cold deformation was 1.0, which could not form the magnetic-flux rope. The residual magnetic intensityBrof them was (0.055—0.117)GS, in the range of weak magnetic material, but was stronger than that of air. The magneto conductivity(μ) of 310S stainless steel welding samples was 1.0—1.2, with a mean of 1.044, which could form the typical magnetic-flux rope. The cylinder permanent magnet could be attracted and rolled by with the magnetic conduction properties increased sharply. The magnetic flux density of 310S stainless steel pipes with welding joints were measured by theXYZ3-dimension magnetic field detector. The result shows that the influence of 310S stainless steel pipes(φ273×4×200) on the working magnetic intensity is in the category of 1/1 000 order.

310S stainless steel; 310s welding joint; hysteresis loop; magnetic flux density

1004-1540(2015)03-0291-04

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.008

2015-03-10 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

杜洪奎(1965- )，男，安徽省濉溪人，副教授，主要研究方向为材料科学、力学、压力容器与管道研究.E-mail:hongkui1965@cjlu.edu.cn

TF125.8

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