管线钢半穿孔损伤的金属磁记忆检测研究

李云飞，韦利明，万 强，贾 东

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

0 引 言

X80管线钢是我国目前油气管道的主要用材，油气管道长期高压运行，与土壤、水分接触或受地质运动的影响，一定年限后会趋于老化，因管体腐蚀、穿孔、变形等机械损伤导致的管线泄漏事故时有发生。文章针对半穿孔损伤的应力集中与金属磁记忆信号特征开展实验分析，相关研究对管道安全运行及灾害事故的预防具有参考价值。

金属磁记忆检测技术起源于20世纪90年代，俄罗斯Doubov教授[1]在第50届国际焊接学术会议上提出并形成了一套全新的无损检测与诊断技术-金属磁记忆检测技术（metal magnetic memory test）。国外磁记忆检测相关研究中，Jiles等[2-3]对用于机械损伤检测的剩磁测量方法，以及针对残余应力和损伤检测的磁弹声速方法等进行了综述，这些方法与金属磁记忆方法的区别在于外加磁场带来的不便和导入的周边结构噪声。波兰西里西亚工业大学M.Roskosz等[4-5]采用剩磁场梯度对铁磁材料残余应力分布进行了研究，表明两者具有一定相关性。

国内关于磁记忆法在损伤检测领域的应用，主要集中在定性检测应力集中区域。装甲兵工程学院徐滨士教授等[6-8]研究了多种铁磁性钢材试件拉伸、疲劳过程中磁信号的变化规律，能够定性反映铁磁材料中的应力集中部位。黄松岭等[9]研究了焊缝附近残余应力分布和试件表面磁感应强度垂直分量的关系，表明二者具有较好的一致性。

综合上述情况，本文设计了管线钢半穿孔损伤拉伸试件，探究塑性损伤程度与诱发磁场强度的关系，为管线钢构件定量无损评估提供基础依据。

1 实验系统与试件制备

1.1 力磁耦合实验系统

本文自行搭建的力磁耦合实验系统主要由损伤导入系统（MTS拉伸试验机）、光学应变测量系统和微量磁场检测系统组成[10]。通过拉伸试验机对管线钢平板试件导入不同程度塑性损伤，模拟管线钢在实际运行环境下因地质运动或工作压力下的疲劳或蠕变等引起的应力集中和塑性变形损伤。

采用ARAMIS光学应变测量系统对加载过程中不同时刻试件表面进行图样采集与分析计算，可实时检测试件表面全场应变分布情况。

对于实验中管线钢试件塑性损伤诱发磁场信号的检测，本文采用Bartington单轴磁通门磁强仪，其空间分辨率为1 mm，最小磁场分辨率为1 nT，可对实验中损伤试件表面磁场信号进行平面扫查。

1.2 试件制备

目前国内埋地油气管道主干线主要采用X80管线钢，其服役一定年限后需要进行定期的全面检测。本文针对X80管线钢设计了半穿孔损伤类型拉伸试件，并从损伤背面进行检测，以模拟管道内部缺陷。

根据油气管道常见缺陷类型和尺寸，设计了半穿圆孔平板试件，考察该类型损伤状态下的诱发磁场特征规律。加工完成的试件如图1所示。

设计加工的试件尺寸如下：中心半穿圆孔平板试件长300mm，宽50mm，厚5mm。试件中心半穿孔直径为10mm，深度为2mm。

本文利用微磁场测量系统由西向东测量试件表面的诱发磁场分布，测试区域为试件表面中心长150mm、宽50mm的矩形区域，如图2所示，同时给出了结果分析时在试件表面建立的局部坐标系。

图2 磁场强度测量区域与坐标

2 金属磁记忆影响因素研究

2.1 消磁处理对试件磁信号的影响

为了解消磁处理对试件表面磁记忆信号的影响，任意选定一半穿孔试件进行消磁处理后，采用磁通门微磁场测量系统在提离高度2mm时对试件表面测试区域磁记忆信号进行检测。试件消磁前、后磁记忆信号分布曲面如图3所示。

图3 试件消磁前、后磁场法向分量分布

由图可知，因机械加工制备，消磁前试件表面磁场强度法向分量在缺陷部位有明显的突变，在缺陷两侧对称分布。而消磁后试件表面磁场法向分量分布趋于规律，从一端到另一端呈线性增加或减小趋势，沿X方向和沿Y方向磁场法向分量均有明显梯度变化。为保证实验结果的可比性，试件加载前均需进行消磁处理。

2.2 提离高度对磁信号的影响

金属磁记忆检测的提离高度对检测结果影响较大，为了探究提离高度对磁记忆信号测试结果的影响，本文分别检测提离高度为 5，10，15，20，30，50mm 下同一试件表面的磁场法向分量。

由检测结果发现，随着提离高度的增加，试件表面磁场法向分量曲面趋于平缓，损伤处的波峰波谷不再明显。图4给出了半穿孔损伤试件表面磁场法向分量峰谷变化幅值与测试提离高度的关系曲线。从图中可见，法向分量Bz峰谷变化幅值随提离高度增加大体呈指数衰减趋势。

图4 磁信号变化幅值与提离高度关系曲线

3 半穿孔试件检测结果

实验中对半穿孔损伤试件共加载7次，从ARAMIS光学应变测量系统中提取应变数据可得到试件各次加载后的应变分布，第1，3次加卸载后应变分布如图5所示。

对导入不同程度塑性损伤后的试件表面依次进行磁记忆检测，保持提离高度2 mm，检测磁场法向分量Bz，得到不同塑性损伤程度下试件的磁记忆信号分布，第2，5次加卸载后磁记忆信号分布如图6所示。

随着加载次数的增加，特别是试件发生明显屈服后，试件磁场法向分量在位移坐标Y=0附近出现了左右对称的拐点，加载越往后，拐点越明显，这表明磁场法向分量Bz出现了明显的过零点现象。

图5 不同加载次数后试件表面应变分布

4 实验结果分析

为明确缺陷部位附近的磁记忆信号特征，取试件Y方向-25～25mm表面测试区域的磁记忆信号分析，在经历不同加载次数后，X=0基准线上磁记忆信号曲线如图7所示。

由图可知，随着加载次数增加，试件损伤诱发磁场幅值也逐渐增大，磁记忆信号曲线在试件中心集中损伤处均出现过零点。

对实验结果中各次加载后试件的局部最大塑性应变值Ey和损伤诱发磁场法向分量幅值Bz进行提取，数据如表1所示。根据表中数据，得到半穿孔试件塑性损伤与磁记忆信号的关系曲线如图8所示。

由图可知，X80管线钢试件半穿孔损伤诱发磁场法向分量在低塑性损伤阶段（约4%以下）具有较明确的表征关系，但在较大塑性损伤阶段该磁记忆信号趋于不敏感。

图6 不同加载次数后试件磁记忆信号分布

图7 不同加载次数X=0基准线试件磁场法向分量曲线

表1 试件最大局部塑性应变与磁信号幅值

5 结束语

图8 半穿孔试件塑性损伤与磁信号的关系曲线

本文基于金属磁记忆检测技术自行搭建力磁耦合实验系统，对X80管线钢半穿孔损伤试件的塑性损伤程度进行了无损评价研究，由实验结果得出损伤程度与诱发磁场之间非线性关系曲线。结果表明磁记忆信号在较小塑性损伤情况下具有较明确表征关系，但在较大塑性损伤时不敏感。实验结果可为X80管线钢构件塑性损伤的定量无损评估提供参考。

[1] Doubov A A.Diagnostics of equipment and constructions strength with usage of magnetic memory[J].Inspection Diagnostics，2001，35（ 6）：19-29.

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[3] Jiles D C，Li L.A new approach to modeling the magnetomechanical effect[J].Journal of Applied Physics，2004，95（ 11） ：7058-7060.

[4] RoskoszM， Gawrilenko P.Analysisofchangesin residual magnetic field in loaded notched samples[J].NDT&E International，2008（ 41） ：570-576.

[5] Roskosz M，Bieniek M.Evaluation of residual stress in ferromagnetic steels based on residual magnetic field measurements[J].NDT&E International，2012（ 45） ：55-62.

[6] 尹大为，徐滨士，董世运，等.中碳钢疲劳试验的磁记忆检测[J].机械工程学报，2007，43（ 3）：60-65.

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[10]Wan Q，Wei L M，Li Y F.Dependence of damageinduced magnetization on the plastic deformation for X80 steel[J].Applied Mechanics and Materials，2013（ 330）：106-111.