X80管线钢不同缺陷类型的磁记忆检测试验研究

李云飞，韦利明，万 强

(1.中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999；2.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川 绵阳 612999)

X80管线钢是我国目前油气输运应用最广泛的管线钢材.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，运行一定年限后管道会趋于老化，因管体腐蚀、穿孔、裂纹等损伤导致的泄漏事故时有发生，因此对管道塑性变形与应力集中等早期隐性损伤进行有效无损检测对灾害事故的预防具有重要意义[1-2].

目前，常规无损检测技术只适用于已成形的宏观缺陷[3-5]，由俄罗斯Doubov[6]首次提出的金属磁记忆检测技术可对铁磁材料应力集中、早期损伤等进行有效诊断，因此受到诸多研究者的普遍关注.Jiles等[7-8]对用于机械损伤检测的剩磁测量方法，针对残余应力和损伤检测的磁弹声速方法等进行了综述；黄松岭等[9]对地磁作用下ASTM1020钢板磁信号变化进行了检测研究；方发胜等[10]和王威等[11]分别对机械机构、建筑钢结构中的Q235、Q345B钢试件在静拉应力下的磁场梯度信号进行了研究，并对材料的磁畴组织变化进行了分析；任吉林等[12]与王慧鹏等[13]分别开展了40Cr钢、45CrMoVA结构钢的不同周次的疲劳试验，研究了载荷、周次与位置等因素对漏磁信号的影响规律.但磁记忆检测对管线钢的应用研究相对较少，加之油气管道的材性、载荷方式及工作环境与上述构件存在显著差异，有必要对管线钢的力磁耦合效应特征以及载荷与磁信号的对应关系进行深入研究.

本文对X80管线钢光滑试件、含人工预制穿孔与切槽试件进行静载拉伸试验，检测试件表面诱发磁场的法向分量与切向分量，研究了不同载荷状况下磁信号的变化规律，初步建立X80管线钢塑性损伤与磁信号之间的对应关系，为磁记忆检测技术在输运管道领域的定量无损评估奠定基础.

1 试 验

1.1 试件

X80管线钢具备高强度、高韧性和优异的焊接性能，主要化学成分见表1.

表1X80管线钢的化学成分(质量分数/%)

Table 1 Chemical composition of X80 pipeline steel (wt.%)

CSiMnCrNiNbVMo0.0630.281.830.030.030.0610.0590.22

目前,我国油气管道主要用材为X80管线钢，并且需要进行定期的全面检测.因此,本文以X80管线钢为研究对象，根据管道常见缺陷类型和尺寸，设计了无缺陷平板试件以及中心贯穿圆孔、双侧边缘缺口2种反映应力集中的试件，以考察不同损伤分布状态下的磁信号变化规律.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，设计A、B、C 3种试件，试件尺寸设计如图1所示.

1)无缺陷平板试件(A型试件)：长500 mm，宽50 mm，厚5 mm.

2)中心贯穿圆孔平板试件(B型试件)：长500 mm，宽50 mm，厚5 mm，中心贯穿孔直径为10 mm.

3)双边边缘切口平板试件(C型试件)：长500 mm，宽50 mm，厚5 mm，切口宽度2 mm，单切口长度10 mm，切口尖端为半径1 mm的圆弧过渡.

图1 不同类型平板拉伸试件(单位:mm)

试验中拟试件加载前和各次卸载后在空旷位置沿南北向放置，由北(N)向南(S)测量试件表面磁记忆信号，提离高度2 mm.磁记忆检测参考线示意如图2所示，检测距离为150 mm，参考线间距为8 mm.A、B型试件提取测试参考线Line1的磁信号，C型试件提取Line4的磁信号.

图2 磁记忆信号测量参考线示意图(单位:mm)

1.2 试验设备与方法

为分析X80管线钢不同缺陷类型的磁记忆信号特征，研究管线钢塑性损伤与磁记忆信号之间的对应关系，本文自行搭建了一套力磁耦合试验系统，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[14-15].

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的塑性损伤，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损伤.采用ARAMIS三维光学应变测量系统对加载过程中不同加载次数后试件表面的全场应变分布情况进行测量.

考虑到试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.本文选用TSC-3M-12型磁记忆检测仪如图3所示，用于试件准静态拉伸过程中应力集中部位卸载后试件表面磁记忆信号的检测.该仪器测量范围为±2 000 A/m，磁场分辨率为1 nT，空间分辨率1 mm，磁场强度相对误差为±5%.可扫描检测试件表面任意一点或沿某直线行进，同时记录磁场强度和受检对象位移坐标.

图3 TSC-3M-12型磁记忆检测仪主机和传感器

1.3 试验方法与流程

本文对单个试件进行重复多次加载导入塑性损伤，卸载后测量其累计塑性应变及磁记忆信号.具体试验流程为：1)试件拉伸前检测其初始磁场信号，明确拉伸前试件的自然磁化情况；2)使用消磁器消除试件在加工制造、运输和保存工程中的磁化履历，然后检测其消磁后的信号；3)拉伸试验机对试件导入不同程度的塑性损伤，采用光学应变测量系统实时检测试件表面的应变情况.卸载后离线检测该次的试件表面磁记忆信号，然后重复第3步骤.

2 结果与讨论

2.1 X80管线钢的拉伸性能

本研究中各型试件的拉伸试验均采用位移控制加载，加载速率为5 mm/min.图4为X80管线钢A型试件的工程应力-应变曲线，无缺陷试件的拉伸变形可大体分为弹性变形阶段、屈服强化阶段和颈缩断裂阶段.X80管线钢标准拉伸试件断裂延伸率可达20%，其中屈服强化段超过10%，拉伸破坏呈典型的塑性断裂，表明X80管线钢韧性良好.

图4 X80管线钢工程应力-应变曲线

Fig.4 Engineering stress-strain curve of X80 pipeline steel

根据各型试件准静态拉伸试验载荷-位移曲线，试件预设加载情况如表2所示.

表2各试件重复加载中当次加载的预设应变

Table 2 Predefined strain in different loading times of different specimens %

2.2 地磁场检测结果

考虑到地磁场对试件磁记忆信号检测结果的影响，对试件所摆放位置的地磁场法向分量和切向分量进行检测.磁记忆信号如图5所示，可见试件测试位置地磁场大小几乎恒定，环境磁场单一，不会给检测结果带来明显检测误差.

2.3 法向分量检测结果

图6～8分别为A、B、C型试件加载前及多次重复加载后的磁记忆信号法向分量检测结果.图中黑色曲线为3种试件加载前经过消磁处理后的原始磁场法向分量检测信号，3种试件的磁记忆信号均随检测位移增大而近似线性减小，信号最大值与最小值的幅值约100 A/m，表明不同类型试件加载前的磁记忆信号分布基本相同.

由图6可知，随着加载次数的增加，A型试件磁信号法向分量(Hy)走向从平缓趋向波动，但未出现明显峰值，200 mm检测距离内磁信号变化规律类似.

图5测试位置由南向北地磁场法向分量(Hy)和切向分量(Hx)

Fig.5 Normal component (Hy) and tangential component (Hx) of geomagnetic field in testing position from south to north

图6 A试件法向分量结果

图7 B试件法向分量结果

图7、图8中随着加载次数的增加，B型试件与C型试件的磁信号法向分量(Hy)在位移坐标100 mm附近(即缺陷处)出现反对称双峰，随着加载次数反对称双峰渐趋明显，且磁信号在试件中心出现过零点现象.C型试件第4次加载后由于发生明显屈服，双峰值更大，过零点现象比B型试件更明显.

图8 C试件法向分量结果

2.4 切向分量检测结果

图9～11分别为A、B、C型试件加载前及多次重复加载后的磁记忆信号切向分量检测结果.由图9～11可见，不同类型试件加载前通过消除试件磁化履历后，原始磁场切向分量基本接近于零位，信号幅值变化在20 A/m内，波动幅度小于法向分量.

图9中,随着加载次数的增加，A型试件磁场切向分量(Hx)走向从平缓趋向波动，但未出现明显的峰值，200 mm检测距离内磁信号变化规律类似.

图9 A试件切向分量结果

图10、图11 中,随着加载次数的增加，B型试件与C型试件磁信号切向分量(Hx)在位移坐标100 mm附近(即缺陷处)出现明显单峰，随着加载次数增加峰值逐渐增大.C型试件第4次加载后发生明显塑性屈服，单峰现象最为明显.

图10 B试件切向分量结果

图11 C试件切向分量结果

3 结 论

本文针对X80管线钢设计了3种含不同缺陷类型的平板试件，采用自行搭建的检测试验系统，初步获取了管线钢塑性损伤与磁记忆信号之间的对应关系，得到以下结论：

1)无缺陷试件随着塑性变形程度的增大，磁信号由线性规律分布趋于波动变化，但未出现明显波峰波谷.

2)含穿孔或切槽缺陷试件随着加载后塑性变形的增大，磁信号法向分量在缺陷附近出现反对称双峰与过零点现象，并且该现象渐趋明显.磁信号切向分量在缺陷附近出现单峰，峰值随加载次数逐渐增大.相关力磁效应特征与缺陷类型无关.

3)通过磁信号法向分量Hy和切向分量Hx是否出现波峰和波谷可用于判断集中缺陷的存在，Hy和Hx信号波峰与波谷的对称性可以被用于判断集中损伤的位置.磁信号分量的峰谷值与试件的塑性变形程度存在一定非线性关系，为油气管道X80管线钢塑性损伤程度定量评估提供参考依据.