油气管道塑性变形的磁记忆检测

杨理践,王国庆,刘　斌,高松巍

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院， 沈阳 110870)



油气管道塑性变形的磁记忆检测

杨理践,王国庆,刘斌,高松巍

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院， 沈阳 110870)

利用金属磁记忆检测技术对油气管道塑性变形进行检测。通过位错理论分析了铁磁材料塑性变形时的能量变化，用铁磁材料能量平衡理论分析了材料塑性变形过程中磁场信号的变化特征。通过对管道进行打压试验，用磁记忆检测设备对磁信号进行检测，研究了磁记忆信号与应力的对应关系，得出磁记忆信号随应力的变化特征。结果表明：铁磁材料在塑性变形时,其表面弱磁场发生突变，应力-磁感应强度曲线斜率增大;多次塑性变形导致磁场变化率降低。

油气管道；塑性变形；位错理论；磁记忆检测

油气管道作为五大运输工具之一，具有高效、低耗等优势，已成为国民经济和社会发展不可缺少的“生命线”。但因其具有高能高压、易燃易爆、有毒有害、连续作业、链长面广、环境复杂等特点，其安全管理也十分重要。无损检测技术是保证管道安全的一种重要手段[1-2]。金属材料的破坏一般都要经过应力作用，会产生应力集中→屈服→塑性变形→破坏的过程，而对于材料塑性变形的检测可以预判危害的发生，因而可以在材料被破坏前对其进行处理，从而避免危害的发生。目前管道发生塑性变形可以分为两类：一类是在新建油气管道交工验收时，由于要进行强度试压，原有的应力不但没有释放反而会增大或产生新的应力集中，进而导致塑性变形；另一类是管道在运行过程中,由于腐蚀、疲劳裂纹等引起的应力集中而导致塑性变形。

通过采用金属磁记忆检测技术，在地磁场环境下检测应力作用后铁磁材料表面的磁场信号变化特征来判断金属的变形状态。该技术可应用于管道的内外检测，并可实现在线检测油气管道的塑性变形[3-6]。

1　磁记忆检测技术原理

1.1铁磁金属的塑性变形理论

铁磁金属在外力作用下将产生弹性变形，当应力超过弹性极限后发生塑性变形。塑性变形的最基本方式是滑移。而滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性运动，而是通过位错在应力作用下沿滑移面移动的结果。金属在塑性变形过程中，位错数量逐渐增加，进而产生大量滑移带，即金属的塑性变形。因而，金属塑性变形过程中的一个重要特征是位错的大量增加，位错产生后其周围的原子偏离了平衡位置，处于较高的能量状态，这个能量为位错应变能。

1.2磁记忆检测能量平衡理论

铁磁材料的基本特点是磁畴结构。磁畴是一切磁特性的基础，而磁畴的形成则是各种能量共同作用的结果。各种能量须遵循的热力学准则是：在平衡条件下，磁畴或磁矩的实际存在状态，必定是总自由能取最小值的状态。

铁磁材料在没有外应力作用时，处于稳定状态的磁晶体内的自由能E为：

(1)

式中：Ek为磁晶体的各向异性能；Ems为磁弹性能；Eel为弹性能。

磁晶体的各向异性能Ek表示铁磁体内电子自旋间,以及自旋磁矩和轨道磁矩之间的耦合作用所产生的能量。以立方晶体为例，各向异性能表达式为：

(2)

式中：K1、K2分别为各向异性常数；a1、a2、a3分别为磁化方向与三个晶轴间的夹角余弦。

Ems指铁磁性与弹性之间的相互作用引发的磁弹性能。同样以立方晶体为例,表达式为：

(3)

式中：B1、B2分别为磁化和形变相互作用的磁弹性耦合系数；αi、αj分别为磁化方向和各晶轴间的夹角余弦；eii、eij分别为形变分量(i，j=x，y，z)。

弹性能Eel是把晶体看成无磁性时，晶体的弹性形变将使得晶体内的原子位置发生变化，由弹性力学可得到弹性能为：

(4)

式中：exx、eyy、ezz、exy、eyz、ezx分别为形变能量的6个分量;C11、C44、C12分别为弹性模量。

当铁磁晶体受到外力作用或其内部存在内应力时，总的自由能还将包括由应力引起的应力能，即：

(5)

式中：Eσ为应力能。

当仅考虑单轴方向的简单张力时，在立方体系中，应力能Eσ表达式为：

(6)

式中：σ为应力;γ1、γ2、γ3分别为应力作用方向；λ100，λ111分别为磁致伸缩系数；α1，α2，α3分别为应力方向与三个晶轴间的夹角余弦。

对于磁致伸缩各向同性的材料，即λ100=λ111=λs，式(6)可简化为：

(7)

式中：θ为磁化矢量方向与应力方向之间的夹角;λs为饱和磁致伸缩系数。

根据“实际存在的状态必定是能量最小的状态”的原则，只有减小应力能，使其趋于最小，才可以使总自由能趋于最小，从而使铁磁体处于新的稳定状态。根据式(5)和(7)可知，改变磁化矢量的方向可以减少应力能，使总的自由能最小。对于λs>0°的正磁致伸缩材料，θ为0°或π时都将使应力能最小；而λs<0°时，θ为90O或270O时才能使应力能达到最小。因而，力的作用将导致材料的易磁化方向改变，磁化强度的方向也发生改变，使铁磁体磁场在某些方向增大或减小。当材料发生塑性变形时，铁磁体内部将产生大量位错，从而位错应变能大量增加，其叠加在应力能之上，使应力能大幅增加，根据能量平衡理论，将导致磁场信号的突变。

2　试验结果及分析

试验采用打压试验的方式，选择材料为X52钢管，长度1 200 mm，直径273 mm，壁厚5.6 mm的钢管2根，壁厚为7 mm的钢管6根。采用手工电弧焊进行焊接，两根薄壁管处于中间，焊后对焊缝区进行射线和超声波检测，确保焊接质量。在薄壁管外壁不同高度上选定四个监测位置，固定三向磁记忆检测探头。同时在四个位置分别粘贴应变片，用以监测管道变形状态,如图1所示。磁记忆检测设备为自主研发的高精度弱磁检测仪，量程为09 999 nT，分辨率为1 nT。

试验为水压试验，进行两次打压，试验压力为18 MPa。根据应变片监测结果可知，在两次打压过程中，四个位置均发生了塑性变形，应力应变规律及磁记忆信号特征表现出一致性。以位置1进行分析，第一、第二次打压应力-应变曲线如图2,3所示。

图2　第一次打压应力-应变曲线

图3　第二次打压应力-应变曲线

由图2可知，第一次打压过程中，当压力达到13 MPa时，曲线出现拐点，应变斜率变大，说明材料开始发生塑性变形。由图3可知，第二次打压过程中，当压力达到14 MPa时，曲线出现拐点，材料开始塑性变形，屈服应力的增加主要由加工硬化引起。

图4　第一次打压应力-磁感应强度曲线

图5　第二次打压应力-磁感应强度曲线

第一、第二次打压应力-磁感应强度曲线如图4,5所示。由图4可以看出，管道在打压过程中其x,y,z三个方向的磁场均发生变化，对于x向磁场，随压力的升高，其绝对值减小，呈线性变化的状态，在压力达到13 MPa(应变片显示的屈服位置)时出现拐点，曲线斜率增加，意味着在塑性变形阶段磁感应强度将发生突变并有明显变化。对于y方向磁场，随着压力的升高，其绝对值增大，其他变化趋势与x方向一致，在13 MPa时曲线也出现了拐点，曲线斜率增大。对于z方向磁场呈现先增加再升高再下降的趋势，未表现出特殊规律。由图5可以看出，x和y两个方向的磁场变化趋势与第一次打压相同，并当应力达14 MPa屈服点时，曲线均出现拐点。与第一次打压的曲线特征具有一致性。同样对于z方向磁场未表现出明显规律。

3　结论

(1) 管道表面磁记忆信号与应力相对应，随着应力的增加，x方向磁场信号绝对值减小，y方向磁场信号绝对值增加，并在多次打压过程中均表现出相同的变化趋势。

(2) 当铁磁材料达到塑性变形时，其x和y方向磁场发生跳变，曲线出现拐点，磁感应强度斜率增加。在多次施压至塑性变形过程中，磁感应强度变化斜率出现降低的现象。由这些特征可判断铁磁材料的塑性变形。

(3) 通过检测油气管道表面弱磁场随应力变化的特征，可实现管道塑性变形的在线无损检测。

[1]李平全.油气输送管道失效事故及典型案例[J].焊管,2005,28(4):76-84.

[2]DUBOV A. Assessment of the material state of oil and gas pipelines based on the metal magnetic memory method[J].Welding in the World,2012,56(3/4):11-19.[3]DUBOV A. Development of a metal magnetic memory method[J].Chemical and Petroleum Engineering, 2012,47(11/12):837-839.

[4]杨理践,刘斌,高松巍,等.基于密度泛函理论的磁记忆信号产生机理[J].仪器仪表学报，2013，34(4)：809-816.

[5]仲维畅.金属磁记忆诊断的理论基础—铁磁性材料弹-塑性应变磁化[J].无损检测2001,23(10)：424-426.

[6]LENG Jian-cheng,LIU Yang,ZHOU Guo-qiang,et al.Metal magnetic memory signal response to plastic deformation of low carbon steel[J].NDT & International,2013,55(3):42-46.

Magnetic Memory Testing for Plastic Deformation of Oil and Gas Pipeline

YANG Li-jian, WANG Guo-qing, LIU Bin, GAO Song-wei

(School of Information Seience and Engineering, Shenyang Universitiy of Technology, Shenyang 110870, China)

The plastic deformation of oil and gas pipeline was tested by magnetic memory testing. The energy balance under plastic deformation of ferromagnetic material was analyzed through dislocation theory. The change characteristic of magnetic signal was analyzed by ferromagnetic material energy balance theory. The bulge test was applied to pipeline. The magnetic signal was tested by magnetic memory testing equipment. The correspondence between magnetic memory signal and stress was studied. The change characteristic of magnetic signal along with stress change was obtained. The results show that surface weak magnetic signal will sudden change when plastic deformation emerges in ferromagnetic material. Moreover, the slope of stress-magnetic field curve rises. The repeated plastic deformation shall reduce magnetic field change rate.

Oil-gas pipeline; Plastic deformation; Dislocation theory; Magneticmemory testing

2016-01-06

科技部国家重大仪表专项资助项目(2012YQ090175)； 国家863计划资助项目(2012AA040104)；国家自然科学基金资助项目(61571308)

杨理践(1957-)，男，教授，主要从事管道检测及无损检测技术等方面的研究工作。

10.11973/wsjc201603003

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0008-03