基于巴克豪森技术的压力管道表面应力检测

朱晓雪 业成 章彬斌

（南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210019）

基于巴克豪森技术的压力管道表面应力检测

朱晓雪 业成 章彬斌

（南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210019）

压力管道是危险性较大的特种设备，易因应力集中导致损伤，故检测压力管道表面应力具有重要意义。本文研究了巴克豪森噪声技术的检测原理，噪声的五个特征值与压力管道表面应力的关系。设计应力检测硬件平台，包括检测探头、信号产生模块、数据采集模块和上位机处理显示模块等。开发应力检测的软件，实现数据的采集处理，实时提取MBN信号的特征值，实时监测应力情况。利用巴克豪森技术的快捷、无损等优势，实时精确检测压力管道表面应力，保障其质量安全和使用安全。

巴克豪森 压力管道 应力检测

压力管道作为一种特种设备广泛应用于石油、化工、冶金、电力等行业，在石油化工生产中管道更是连接各工艺设备的神经，担负着各设备之间的介质传递，在设备投资中占有相当大的比例。然而，压力管道在实际使用过程中，由于在设计、制造、安装及运行管理中存在各类问题，管道的破坏性事故时有发生。引起压力管道损坏的原因是多方面的，其中，压力管道在连续性工作中承受相当大的冲击或载荷，受到挤压、温度变化、介质腐蚀等影响，内部会产生局部的应力集中或松弛，从而导致局部的缺陷、塑性扭曲、变形、断裂，一旦发生断裂将导致结构倾覆等事故隐患。另一方面，在加工压力管道的工艺中，可能会造成残余应力分布和磨削烧伤，其中的热处理工艺参数如硬度、渗碳层深度、奥氏体含量、马氏体含量及晶粒尺寸等，将影响材料的硬度、延展性等机械性能。压力管道作为危险性较大的特种设备已经正式列入安全管理与监察规定，是生产、生活中广泛使用的可能引起燃爆或中毒等较大危险的特种设备，因此，检测压力管道表面的应力，监测管道的状态，及时评估使用寿命，以保证压力管道的质量安全和使用安全具有重要的意义。

在1919年，德国的Barkhausen教授发现了巴克豪森效应，即铁磁性材料在有外加变化磁场或应力作用时，磁畴壁会进行不可逆转的运动，经过一段行程后遇到不被磁化的夹杂、缺陷等而停止运动，积蓄足够磁场能后，又摆脱钉扎物而再次不可逆运动直至再次被钉扎再次不可逆运动。在被钉扎和脱离时，铁磁性材料表面的传感器能够感应到电脉冲，即所谓的磁巴克豪森噪声（Magnetic Barkhausen Noise）[1]。

本文以巴克豪森噪声技术为理论基础，设计压力管道应力检测系统平台，实现对压力管道表面应力的实时检测，检测数据可追溯，方法快捷、精度高、速度快，而且成本低，项目的研究对提高压力管道的安全质量和确保压力管道的安全使用具有重要意义，将产生很大的经济效益和社会效益。

1 巴克豪森技术

铁磁性材料内部有许多不同方向的微小磁畴。无外界因素作用时,每个磁畴的方向为其容易产生极化的结晶方向,铁磁性材料整体磁化的等效结果为零，对外不显磁性。当有应力作用或外加交变的磁场时，每个磁畴沿它的矢量方向会发生90°或180°的偏转或是磁畴壁的移动，磁畴的这种变化会在铁磁性材料里面产生一系列阶跃式的突变的跳跃性脉冲信号，这种信号最早是德国Dresden大学巴克豪森(Barkhausen)教授发现的，故称之为巴克豪森信号。磁化过程中出现的这种跳跃式的现象被称为巴克豪森效应。在巴克豪森信号跳跃时，铁磁性材料表面的传感器会接收到一定功率频谱分布的微弱电信号噪声，称为巴克豪森噪声(MBN)。

巴克豪森噪声检测技术是利用铁磁性材料在磁化的过程中发生磁畴翻转的微观理论进行测量的，通过放置在铁磁材料表面的传感器提取巴克豪森信号[2]，是一种新型的可提离、快捷、方便的无损应力检测技术。

图1 磁滞回线与MBN噪声

MBN信号以及影响MBN信号的因素可以用式（1）表示函数关系式：

式中：

σ——铁磁性材料内部的应力；

HRC——铁磁性材料表面的洛氏硬度；

Dg——铁磁性材料的平均晶粒直径；

H——外加磁场的磁场强度；

T——被测材料的温度。

应力因素对MBN信号的影响：铁磁性材料的磁化方向与应力方向平行时，MBN信号随着拉应力的增大而增大，随着压应力的增大而减小，即图2中A曲线所示；当材料的磁化方向与应力方向垂直时，MBN信号强度随着拉应力的增大而减小，随着压应力的增大而增大，即图2中B曲线所示；当MBN信号强度在铁磁材料达到屈服阶段时呈现饱和状态。

图2 MBN与应力的关系图

MBN信号的平均值、均方根、振铃数、峰值和峰宽比等信号特征值的变化，实质由微观结构、状态以及受力引起的，可以反映应力情况和评估疲劳损伤的程度等。

平均值的计算公式见式（2），其中n为数个完整周期的采样点数：

均方根的计算公式见式（3），其中n为数个完整周期的采样点数：

振铃数的计算方法如图3所示，可见，振铃数的大小与选择的阈值和MBN信号强度有关，振铃数的阈值一般选择为MBN信号峰值的1/3。

图3 振铃数计算示意图

峰宽比为包络线的峰值与包络线的半高全宽的比值，而半高全宽是指包络线在到达峰值的二分之一时所对应的宽度。提取包络线的峰值和半高全宽如图4所示。

图4 特征值峰值和峰宽比的提取示意图

2 应力检测系统平台（见图5）

图5 应力检测系统框图

应力检测系统平台是由激励产生放大模块、信号检测调理模块、信号显示交控模块等组成。该系统在巴克豪森技术的基础上，通过检测巴克豪森信号，提取巴克豪森信号的特征值，实时显示检测的应力情况，从而判断出压力管道的受力集中区。该系统具有成熟的巴克豪森技术理论依据，实时性好、操作便捷的控制界面等优势。

激励产生放大模块包括信号产生电话和功率放大电路，其中，信号产生电路负责激励信号的产生，提供巴克豪森信号产生需要的外界交变磁场。功率放大电路实现激励信号的放大，提高带负载的能力。信号检测调理模块包括检测探头、信号调理电路和信号采集电路。当激励线圈通以交变的激励信号时，磁轭上产生交变的磁场，对压力管道的待测部位进行局部磁化，接收线圈能够感应到压力管道因磁畴翻转或磁畴壁移动所产生的MBN信号。压力管道即被检测的对象。信号调理电路对接收的MBN信号进行滤波放大。采集电路实现对模拟信号的采样，将模拟信号转化为上位机可处理的数字信号。信号显示交控模块即上位机，在上位机上实现应力检测的软件系统，实现人机交互控制的界面，应力和MBN信号特征值的实时显示。电源是保证整个系统正常运行的基础。

图6 应力检测硬件平台系统

3 压力管道表面应力检测

在压力管道表面施加压应力，用应力检测系统检测压力管道表面的MBN信号，如图7所示，将信号进行放大、滤波、去噪处理，然后提取MBN信号的均值、均方根、峰值、峰宽比和包络线等，进行大量的实验，得到压力管道表面应力与MBN特征值之间的对应关系，如图8所示检测的MBN均方根与压应力的关系，MBN信号均方根随着压应力的增大而减小。然后，将检测探头放在压力管道上，在显示屏上显示当前检测的MBN信号特征值和对应的应力值，并绘制应力的实时变化曲线，从而判断出压力管道的应力集中区，对诊断压力管道的应用状态具有实质性的指导意义。

图7 检测的MBN信号

图8 MBN均方根与压应力的关系

4 结论

在压力管道的弹性区域，MBN信号强度随着压力管道表面压应力的增大而减小，即均值、均方根、峰值、峰宽比均随压力管道表面压力的增大而减小。应力检测系统平台可以实现压力管道表面应力的实时检测，及时诊断压力管道的应力集中区，并且可以存储检测数据、追溯查询。本文利用先进的巴克豪森技术，研发应力检测系统，具有自主研发产权，对实现压力管道表面的应力检测具有重要意义。

[1] John W.Wilson, Gui Yuntian, Vaidhianathasamy Moorthy, et al. Magneto–Acoustic Emission and Magnetic Barkhausen Emission for Case Depth Measurement in En36 Gear steel[J]. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 2009，45(1)：177-183.

[2] 朱秋君.巴克豪森噪声钢轨应力检测仪的开发和研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[3] 朱晓雪.基于DSP的巴克豪森便携式应力检测设备的研发[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[4] 于石生，田浩.基于巴克豪森效应的无缝钢轨纵向应力测试[J].无损检测，2002，24（3)：93-95.

[5] 卢诚磊，倪纯珍，陈立功.巴克豪森效应在铁磁材料残余应力测量中的应用[J].无损检测，2005，27.

[6] Stewarta D M, Stevensa K J, Kaiserb A B. Magnetic Barkhausennoise analysis of stress in steel[J]. Current Applied Physics, 2004，4(2-4)：308-311.

[7] Stupakov O, Pala J, et al. Measurement of Barkhausen noise and its correlation with magnetic permeability[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320：204-209.

[8] 王骁.巴克豪森噪讯无缝线路应力检测仪的研制及应用[D].北京：北京化工大学，2010.

[9] Guimaraes A P, Gundel A, et al. Zipping method applied to Barkhausen noise: A new tool to investigate the micromagnetic disorder in amorphous magnetic materials[J]. Journal of Alloys and Compounds，2007，434：604-607.

[10] 杨雅荣.巴克豪森噪声方法在钢轨应力检测中的研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[11] Roxana Hutanu. A correlation study between magnetic Barlhausen noise and intergranular residual stresses in steels[D]. Kingston: Queen’s University，2005.

Stress Detection of Pressure Piping Surface Based on Barkhausen Technique

Zhu Xiaoxue Ye Cheng Zhang Binbin
(Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Nanjing 210019)

The pressure pipeline is the greater danger special equipment. The pressure piping can be easily leaded to injury because of stress concentration, so it is important to detect the stress on pressure pipeline surface. This paper studies the detection principle of Barkhausen noise technique, and the relationship between the five characteristic values of Barkhausen noise and the surface stress of pressure pipe. Design hardware platform to detect stress, including the detection probe, signal generating module, acquisition data module and PC processing display module etc. To develop the stress detection software, which realizes the data acquisition and processing, the extraction of MBN characteristic value , the real-time monitoring of stress situation. Take the advantage of Barkhausen technology, such as fast, non-destructive etc, to realize real-time and accurate detection of stress on pressure piping surface, guarantee the quality and the safe using of pressure piping.

Barkhausen Pressure piping Stress detection

X924.2

B

1673-257X(2015)10-0045-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.011

朱晓雪(1988～), 女，硕士，从事承压类特种设备检验检测及管理工作。

2015-08-27）