X80管线钢塑性损伤诱发磁化无损评价研究

李云飞，韦利明，万　强

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900）



X80管线钢塑性损伤诱发磁化无损评价研究

李云飞，韦利明，万强

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900）

摘要：X80管线钢被广泛用于石油、天然气输运管道中，其钢材构件出现塑性损伤等缺陷后易产生较大安全隐患。为保证系统运行安全，准确检测和评估构件塑性损伤程度，该文采用金属磁记忆方法对X80钢材塑性损伤与损伤诱发磁场强度之间的关联性进行实验研究与分析。针对两种含典型缺陷的管线钢平板试件，采用实验拉伸机导入不同程度应力集中与塑性损伤，同时通过光学应变测量系统实时获取试件表面应变分布，采用自行搭建的微量磁场检测系统测量试件表面诱发磁场法向分量。结果表明：试件诱发磁场强度法向分量与塑性损伤程度之间具有良好相关性，初步建立X80钢塑性损伤与诱发磁场的非线性关系曲线与定量表达式，可为X80钢材构件塑性损伤程度与无损评价提供一定参考。

关键词：X80管线钢；金属磁记忆；塑性损伤；无损评价

0　引言

X80管线钢是油气管道的主要型号用材，油气管道长期高压运行一定年限后管道本身容易产生应力集中与塑性变形，进而威胁管道的安全运行甚至造成严重灾害事故。塑性变形等机械损伤作为宏观裂纹缺陷产生前的早期形式，对其有效的无损检测与评估，对管道安全运行及灾害事故的预防具有重要意义。

近年来，有研究者发现在一些钢材构件中的裂纹或断口附近存在集中磁化现象[1]，即在没有外加激励磁场条件下（地磁场除外）在裂纹附近区域可检测到明显漏磁场变化。20世纪90年代俄罗斯Doubov[2]首次提出了金属应力集中区的磁记忆检测效应，并形成了金属磁记忆检测技术（metal magnetic memory test，MMMT）。

金属磁记忆方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和定量检测应力水平。徐滨士等[3-5]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，得出磁信号过零点对定性判定材料中应力集中部位具有一定意义。黄松岭等[6]研究发现焊缝附近残余应力分布和试件表面磁感应强度垂直分量具有较好的一致性。国外对于铁磁材料损伤诱发磁化现象的研究不太多见，Jiles等[7-8]对各种基于磁性特性的强磁性材料损伤检测方法进行了综述，包括用于机械损伤检测的剩磁测量方法等；针对残余应力和损伤检测的磁弹声法等。这些方法和研究因外加磁场会带来不便和导入周边结构噪声。波兰西里西亚工业大学M.Roskosz等[9-10]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。

综合上述，目前磁记忆方法能够定性识别铁磁材料损伤区域，并在工程中有了大量的应用，但诱发磁场和损伤程度的定量关系是损伤检测中需深入研究的问题。本文针对我国油气管道主要管线钢材型号X80，通过自行搭建的力磁耦合实验系统基于金属磁记忆原理拟探究建立塑性损伤程度与诱发磁场强度的关系，为管线钢构件安全检测及危害等级评估提供基础依据。

1　实验系统与试件制备

1.1实验系统

为了分析X80管线钢塑性损伤程度与损伤诱发磁场强度之间的定量关系，本文自行搭建了一套力磁耦合实验系统。系统主要由损伤导入系统（拉伸试验机）、塑性应变光学测量系统和磁记忆信号检测系统3部分组成。

通过拉伸试验机对管线钢平板试件一次或多次导入不同程度塑性损伤，模拟管线钢在实际运行时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损伤。采用ARAMIS三维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。图像分析软件像素化图像中位于试件表面测量区域内的特征点并定位，通过追踪计算这些特征点在拉伸过程中采集图像的位置变化，可实时检测试件表面全场应变分布情况。

考虑到实验中管线钢试件塑性损伤诱发磁场强度较小，要求磁场强度测量仪器具有较高的磁场分辨率，并且检测探头需具备较高的空间分辨率。因此本文选用Bartington Mag-01H单轴磁通门磁强仪，其磁传感探头的空间分辨率为1mm，最小磁场分辨率为1nT，可以满足实验中磁场与空间分辨率要求。

为了提高检测精度和效率，采用配套的三维电动扫描台及探头、试件夹具。三维电动扫描台可实现对试件表面磁信号的平面自动扫查，提高检测效率与定位准确度。自行搭建完成微量磁场检测系统如图1所示。

图1　微量磁场检测系统

1.2试件制备

管线钢X80型号具备高强度、高韧性和优异的焊接性能。目前国内埋地油气管道主要采用X80管线钢且已服役一定年限，因此需要进行定期的全面检测。基于上述因素，本文以X80管线钢为研究对象，采用拉伸试验机有针对性地导入不同程度应力集中和塑性损伤，考察应力、塑性损伤程度与诱发磁场之间的定量关系。

根据管道常见缺陷类型和尺寸，设计中心贯穿圆孔和双侧边缘缺口两种反映应力集中的试件，以考察不同损伤分布状态下的诱发磁场变化规律。考虑拉伸试验机的载荷范围、材料强度和试件检测范围的要求，试件设计尺寸如下，加工完成的试件如图2所示。

1）中心贯穿圆孔平板试件（A型）：长300 mm，宽50mm，厚5mm，中心贯穿孔直径为10mm。

2）双边边缘缺口平板试件（B型）：长300 mm，宽50 mm，厚为5 mm，缺口宽度2 mm，单缺口深度10mm，切口尖端为半径1mm的圆弧过渡。

本文采用自行搭建的微磁场检测系统，由西向东检测试件表面上方的磁场分布，测试区域为试件表面中心长150mm、宽50mm、提离距离2mm的矩形区域，如图3所示，同时给出结果分析时在试件表面建立的局部坐标系，沿试件长度方向为Y方向，宽度方向为X方向。

图2　含缺陷的A、B型平板拉伸试件

图3　磁场强度测量区域示意图

试件拉伸前使用消磁器消除试件在加工制造、运输和保存过程中的磁化履历，然后检测获取其消磁后的信号。采用拉伸试验机对试件导入不同程度塑性损伤程度，采用光学应变测量系统实时测量试件表面的应变情况，加载完毕后检测获取试件表面磁记忆信号。

2　A型试件检测结果

中心穿孔A型试件共加载拉伸7次，对试件塑性应变的测量均以未加载前表面图片为基准，每次卸载后与之比较和计算，获取试件表面全场应变值分布情况。提取应变数据可得出试件各次加载后应变分布曲面图，第3次加载后应变分布如图4所示。

图4　第3次加载后塑性应变分布曲面图

按照1.2所述检测方法与流程对导入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，采集诱发磁场法向分量BZ，得到不同塑性损伤程度下试件的磁记忆信号曲面，选取第1，3次加载后磁记忆信号分布如图5所示。

图5　不同加载次数磁记忆信号分布曲面图

由图可见，随着加载次数增加，中心穿孔A型试件磁场法向分量BZ在位移坐标Y=0附近出现了过零拐点，两侧波峰对称分布，加载次数越往后，拐点越明显。

3　B型试件检测结果

双边切口B型试件共加载5次，从光学应变测量系统中提取应变数据得到试件加载后应变分布曲面图，与图4不同的是在试件两侧切口附近的局部塑形应变最大，说明切口损伤处存在应力集中。

导入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2mm，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曲面，选取第3，5次加载后磁信号分布如图6所示。

图6　不同加载次数磁记忆信号分布曲面图

B型试件表面磁场法向分量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BZ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出现了明显过零点现象。与A型试件类似，在试件表面双边切口所在区域（Y=0直线上）漏磁场法向分量的变化一致，与切口缺陷深度无关。

4　实验结果分析

为了分析X80管线钢塑性损伤和诱发磁场之间的关联性，重点关注缺陷部位附近的磁记忆信号特征，本文取试件Y方向-25～25mm表面测试区域的磁记忆信号分析，以试件沿加载方向（Y向）的最大局部塑性变形量EY表征试件的损伤程度，以X=0线上损伤诱发磁场法向分量BZ的正负幅值表征磁场强度，不同加载次数下磁记忆信号曲线如图7、图8所示。

对实验结果中所有试件的最大塑性应变值EY、损伤诱发磁场法向分量幅值BZ进行提取。表1和表2为累次加载实验提取的局部最大塑性应变量EY和X=0线上损伤诱发磁场法向分量幅值BZ。

图7　不同加载次数X=0线上A型试件磁场法向分量曲线

图8　不同加载次数X=0线上B型试件磁场法向分量曲线

表1　A型试件最大塑性应变与诱发磁场幅值

表2　B型试件最大塑性应变与诱发磁场幅值

从图7、图8可见，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都出现了过零点。为了进一步明确塑性损伤程度和损发磁场的关系，本文根据表1和表2数据，得到A型、B型试件塑性损伤与诱发磁场关系曲线如9所示。

图9　A、B型试件损伤诱发磁场关系曲线

如图采用指数拟合法得到试件BZ幅值与局部最大塑性损伤EY关系曲线。拟合得到的A型、B型试件BZ的幅值与局部最大塑性变形损伤应变量EY关系式分别为

上述公式定量地给出了X80管线钢塑性损伤程度与诱发磁场的非线性关系。此关系在一定基础上可为管线钢构件塑性损伤的无损评价提供参考依据。

5　结束语

本文基于金属磁记忆检测技术自行搭建了力磁耦合实验系统，对X80管线钢含典型缺陷试件塑性损伤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与定量表达式。结果表明诱发磁场信号在较小塑性损伤情况下具有较高灵敏度，但在较大塑性应变区变化不大。本文所得定量表达式进行标定后在一定基础上可为X80管线钢构件塑性损伤程度的无损评价提供参考依据，具有一定应用前景。

参考文献

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

[3]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.

[4]董丽虹，徐滨士，董世运，等.金属磁记忆技术检测低碳钢静载拉伸破坏的实验研究[J].材料工程，2006（3）：40-43.

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[7] JILES D C. Theory of magneto mechanical effect [J]. J Appl Phys，1995，28（8）：1537-1546.

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

[9] ROSKOSZ M，GAWRILENKO P. Analysis of changes in residual magnetic field in loaded notched samples[J]. NDT&E International，2008（41）：570-576.

[10] 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.

（编辑：李妮）

Nondestructive evaluation of magnetic field induced by plastic deformation of X80 steel

LI Yunfei，WEI Liming，WAN Qiang
（Institute of Systems Engineering，CAEP，Mianyang 621900，China）

Abstract:X80 steel is widely used in oil and gas transport pipelines. Hidden dangers would be triggered if plastic damage and other defects appear in mechanical components. In order to detect accurately and assess the damage degree and ensure safety in system operation，the relation between plastic deformation in X80 steel and damage -induced magnetic field has been experimentally studied via metal magnetic memory（MMM）. Different levels of plastic strains have been imported into two kinds of X80 steel specimens for several times. The strain distribution has been measured through an optical measurement system and the normal components of magnetic memory signals have been obtained by a self -built micro -magnetic detection system. The experimental results have revealed that the normal components of deformation-induced magnetic field intensity are highly correlated with plastic deformation degrees. Furthermore，we have initially established a nonlinear curve and a quantitative expression for plastic deformation and damageinduced magnetic field，thus providing a basis for quantitative evaluation of plastic deformation in X80 steel components.

Keywords:X80 steel；metal magnetic memory；plastic deformation；nondestructive evaluation

作者简介：李云飞（1986-），男，四川绵阳市人，工程师，硕士，研究方向为电磁无损检测与评价。

基金项目：国家自然科学基金项目（11372295，11302206）

收稿日期：2015-04-04；收到修改稿日期：2015-05-28

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.005

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0021-05