液化石油气储罐焊后去应力热处理效果的金属磁记忆技术评估

罗龙清，史红兵

(安徽省特种设备检测院, 合肥 230041)



液化石油气储罐焊后去应力热处理效果的金属磁记忆技术评估

罗龙清，史红兵

(安徽省特种设备检测院, 合肥 230041)

基于铁磁性材料的磁记忆信号大小与其所受应力或残余应力成正向关系的特性，应用统计学原理，分析了液化石油气储罐(材料16MnR)焊后去应力热处理前后，焊缝上磁记忆信号统计量,即标准差S的变化规律。结果表明，磁记忆信号标准差S可以评估焊后去应力热处理效果，当磁记忆信号标准差S(焊缝段长度250 mm)低于10 A·m-1时，去应力热处理效果好。

金属磁记忆技术；焊后去应力热处理；评估； 液化石油气储罐

在液化石油气储罐焊接组装过程中，球壳板的机械加工、焊接过程中的温差和强行组装等原因都会导致焊缝存在较大的残余应力，为了消除残余应力，大多采用焊后去应力热处理方法[1]。去应力热处理效果的评估一般通过测量残余应力来实现，测量残余应力的传统方法有应力释放法、X射线法、超声波法和深层应力分布法等，这些传统方法可以很好地测量残余应力，但也存在一些明显的缺点，比如有损、工艺复杂、成本高、操作复杂等[2]。因为金属磁记忆检测技术具有无损、操作简单和快速诊断等优点，且有试验表明其对评估去应力退火具有可行性，因此，研究应用金属磁记忆检测方法评估焊后去应力热处理对同行具有借鉴意义[3]。

金属磁记忆检测技术的原理是:铁磁性构件在受到工作载荷和地磁场的共同作用下，应力和变形集中区会发生磁致伸缩，使磁畴组织会产生定向的和不可逆的重新取向；通过分析构件表面的磁性异常，可以得到构件的受力和损伤情况[4]。研究表明，采用金属磁记忆检测技术评估去应力热处理是可行的，而且磁记忆信号大小与残余应力大小具有严格的正向关系[5]。笔者在此基础上，深入分析了液化石油气储罐焊后去应力热处理前后的磁记忆信号标准差的变化规律。

1 铁磁性材料焊后去应力热处理原理

在铁磁性材料去应力热处理时，随着温度的升高，试件屈服强度下降，当试样残余应力大于金属的屈服强度时，试样在某些局部区域会发生塑性变形，残余应力得到释放。残余应力幅值的降低取决于保温温度下材料的屈服强度和蠕变特性，温度越高(低于相变临界点)，屈服强度越小，应力释放越多，保温时间越长，残余应力释放越彻底[6]，金属磁记忆信号越小；但温度也不能太高，以免金相组织结构发生变化，一般低于相变临界点线以下100～200 ℃。

2 金属磁记忆评估可行性分析

JILES和SAVLIK经理论推导，得出应力σ与外磁场具有同等的磁化效果，且应力σ的磁化作用效果与外磁场无关[7-8]，这就是著名的力-磁效应原理，也是金属磁记忆检测技术磁记忆效应机理的解释之一。该原理认为构件的有效磁场He和应力σ对应的等效磁场Hσ的计算公式为：

(1)

(2)

式中：H为地磁场；β为系数；M为磁化磁度；Hσ为外力引起的等效磁场。

由上述可知，应力场产生的等效磁场Hσ与应力成正比，当其他条件一定时，铁磁性构件的有效磁场He，即金属磁记忆信号大小主要由应力σ决定。焊后去应力热处理后，残余应力会大大减小，由力-磁效应可知，对应的磁记忆信号也会相应减小。因此，通过拾取焊缝表面的磁记忆信号，经信号处理得出特征参量，用来评估焊后去应力热处理效果，具有理论可行性。

3 数据采集和分析

图1 TSC-3M-12检测仪和1-8M型扫描装置外观

试验采用俄罗斯动力诊断公司的TSC-3M-12(搭配1-8M型扫描装置)型应力集中检测仪，如图1所示,测量步长设置为1 mm(即扫描装置数据采集速率1次·mm-1)，扫描装置上的四个磁记忆信号拾取元件与焊缝母材表面距离始终保持一致，避免提离效应对试验结果的影响，1-8M型扫描装置信号采集方向与焊缝方向平行，且对称放置在焊缝正上方。

磁记忆信号采集前，先对两台50立方16MnR钢液化石油气储罐(编号01和02)焊缝进行编号并划线，如图2所示，箭头方向为信号采集方向。然后分别采集焊后和严格按照热处理规范进行焊后去应力热处理的焊缝磁记忆信号，随机选取5条焊缝(01储罐3条，02储罐2条),焊后去应力热处理前后的磁记忆信号如图3～7所示。为简化处理，每条焊缝随机任选一个探头的法向分量Hpy,横坐标Lx为焊缝长度，mm;纵坐标H为法向分量Hpy的磁场强度。

图2 储罐焊缝编号和信号采集示意

图3 01储罐A1焊缝去应力热处理前后磁记忆信号

图4 01储罐B1焊缝去应力热处理前后磁记忆信号

由上述热处理后磁记忆信号的变化规律可发现：热处理后的磁记忆信号曲线斜率K值更小，极大值与极小值间的极差大大减小，表明热处理后的磁记忆信号曲线变得更加平滑，磁记忆信号离散程度大大降低。

图5 01储罐A3焊缝去应力热处理前后磁记忆信号

图6 02储罐A2焊缝去应力热处理前后磁记忆信号

图7 02储罐B2焊缝去应力热处理前后磁记忆信号

标准差，概率统计中最常用来作为统计分布的测量，是方差的算术平方根，反映一个数据集合的离散程度。平均数相同的一组数据，标准差未必相同，标准差越小，表明数据越聚集；标准差越大，表明数据越离散[9]。因此可从描述磁记忆信号离散程度,着手分析热处理前后磁记忆信号标准差S的变化情况。此处以水平距离Lx(250 mm)为一个基准范围，计算其磁记忆信号标准差S，储罐焊缝去应力热处理前后计算结果见表1，折线图见图8(01A1为焊缝热处理前的标准差，01A1_P为焊缝热处理后的标准差，其余类推)。

图8 去应力热处理前后磁记忆信号标准差S的变化

上述数据处理结果表明：热处理前的标准差S普遍较大，均大于10 A·m-1，而且每一焊缝长度段(长250 mm)的标准差S相差比较大，说明离散程度很高，残余应力较大；热处理后的标准差S较小，均小于10 A·m-1，而且每一焊缝长度段(长250 mm)的标准差S差距不大，在5 A·m-1上下波动，说明离散程度低，去应力效果良好。

表1 储罐焊缝热处理前后磁记忆信号标准差S A·m-1

4 结语

(1) 分析了两台液化石油气储罐热处理后的磁记忆信号，发现利用特定焊缝长度(250 mm)方向上的金属磁记忆信号标准差S进行统计分析，可对其热处理效果进行评估；当磁记忆信号标准差S低于10 A·m-1(处于5 A·m-1附近)，且各特定焊缝长度段的标准差S差距很小时，可认为热处理效果好。

(2) 如条件允许，对材料种类、厚度、接头型式、焊接方式和容器类别等不同的情况，可进行更多的热处理试验，采集金属磁记忆信号并统计分析，以验证该试验结果的可靠性。

[1] 强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008:83-85.

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The Metal Magnetic Memory Technology Evaluation to the PWHT of LPG Tank

LUO Long-qing, SHI Hong-bing

(Anhui Special Equipment Inspection Institute, Hefei 230041, China)

Based on the positive correlation between the ferro-magnetic material metal magnetic memory signal and the applied strain or residual stress, the changing regularity of the statistic parameters of the weld metal magnetic memory signal - the standard deviationSof the LPG Tank (material 16MnR) before and after the PWHT was analyzed according to the statistical principles. The research shows that the standard deviationSof the metal magnetic memory signal can evaluate the PWHT. The PWHT is fine whenSis below 10 A/m (the length of weld unit is 250 mm).

The metal magnetic memory technology; PWHT; Evaluation; LPG storage tank

2016-06-09

安徽省质量技术监督局科技资助项目(13ZJ370021)

罗龙清(1985-),男，硕士，工程师，主要从事无损检测和压力容器检验技术研究工作。

罗龙清， E-mail: luolqing@163.com。

10.11973/wsjc201611005

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0027-03