交变载荷作用下管道焊缝金属磁记忆信号分析

姚立东，王伟

（安徽省特种设备检测院，安徽 合肥 230051）

0 引言

在地磁场环境和工作载荷共同作用下，铁磁性材料内部会发生磁致伸缩变化，导致磁畴组织发生不可逆的变化。其外在表现为铁磁性材料存在应力集中区，应力集中区的大小可以通过漏磁场Hp的变化表示。在取消工作载荷后，铁磁性材料的磁化状态得以保留，这就是磁记忆现象。本研究通过对压力管道焊缝施加不同程度的交变载荷，分析其信号的特征值。

1 试验准备

1.1 设备和传感器

为表征交变载荷作用下压力管道焊缝漏磁场，本文采用的是俄罗斯动力诊断公司的TSC-4 M-16应力集中诊断仪，使用TSC-4 M-16可对数据进行采集和初步分析。

TSC-4 M-16主要性能如下：

（1）通道Hp测量范围：±2 000 A/m；（2）Hp 测量通道数：16 通道；（3）基本相对误差：± 5%；（4）最小测量步长：1 mm；（5）最大测量步长：128 mm；（6）长度绝对误差：±1 步长；（7）最大扫描速度：0.5 m/s；

传感器采用1-8 M扫描装置，1-8 М型扫描装置是8通道接触式焊缝检测扫描装置，常用在对管道、焊缝、容器、平板等工件的应力集中的局部快速扫查。传感器可根据管道焊缝的形状调节，集成有4个轮子的计数器，用以记录检测长度，同时测量磁场的两个磁场分量可以采集到更全面的数据。试验时，传感器调节至与管道焊缝贴合，较少提离效应的影响，使检测结果更准确，同时，实现款速扫查[1-2]。

1.1 试件

试验管道材质为20钢，采用V型坡口，焊接方法为氩弧焊打底，手工电弧焊盖面，余高磨平，焊接后通过X射线检测，确保其无裂纹、未焊透、未熔合、气孔、夹渣等结构性缺陷，并对焊缝进行热处理，消除其残余应力，试验管道规格、数量如表1所示。

表1 试块参数

2 试验方法

试验采用疲劳试验机对管道施加交变载荷，用以模拟实际工况下管道承受的交变载荷，分别对每组管道施加5 000次/分钟 的交变载荷，试验开始前采集未施加交变载荷的管道焊缝磁记忆信号，之后每施加5 min交变载荷后对管道进行1次数据采集。磁记忆检测信号数据采集过程：将1～8 M扫描装置与TSC-4 M-16应力集中诊断仪相连，按设备说明书对设备和传感器进行校准，设置参数为默认扫描参数，进入扫描界面进行数据采集，1～8 M扫描装置置于焊缝上方，传感器贴合焊缝，从12点钟位置，沿着焊缝顺时针旋转360°，扫描后对文件进行存储。

3 检测信号处理

1960年，匈牙利数学家R.E.Kalman提出了一种卡尔曼自适应算法，是一种解决线性滤波和预测问题的新方法。卡尔曼滤波器实际上是一种最优化自回归数据处理算法(optimal recursive data processing algorithm)。卡尔曼滤波器对每个时刻的系统扰动和观测误差（即噪声），只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得最小误差的真实信号估计值。卡尔曼滤波器被广泛应用于传感器数据融合、军事方面的雷达和导弹系统以及图像处理等领域[3-4]，其算法模型如下：

假设信号模型如公式（1）所示：

式 中： y(n)=k×1 是 在n时 刻 矢 量 信 号 的 状 态；A(n− 1 )为k×k矩阵。

为了将前一刻的信号状态与现在信号状态联系起来，也就是将y(n-1)和y(x)联系起来。假设n-1时刻和n-1之前时刻所有观察值y(n-1)的估计为(n− 1 |n−1 )。则y(n)进一步预测估计如公式（2）所示：

由此，可以得到计算所需要的观察值的递归公式。并且可根据公式（3）预测误差，预测误差如公式（4）所示：

进一步将卡尔曼自适应滤波估计如公式（5）所示：

公式（6）称为卡尔曼自适应滤波器增益矩阵，将其带入公式（5），根据和得出卡尔曼自适应预测和滤波公式分别如公式（7）和(8)所示：

预测：

滤波：

4 试验结果与分析

管道焊缝及其附近的热影响区在消除残余应力后，其内部磁畴组织呈现均匀变化，而在连续施加交变载荷后，局部高应力区（即应力集中区），由于地磁场信号、焊缝自有漏磁场信号、施加交变载荷、现场干扰信号等均对检测信号产生不同程度影响，将出现急剧的磁化状态变化区。这种焊接接头磁化强度沿着经历交变载荷过程造成的主应力作用方向的不可逆变化以及它们在地球磁场中冷却后的残余磁化强度就称之为焊接接头的磁记忆效应。本文应用俄罗斯动力诊断公司TSC-4 M-16对管道试块进行检测，为保证检测数据的真实有效，检测前将试块进行固定，减小因检测过程中出现抖动而产生的干扰信号，应对现场磁场信号进行减小，测试时应尽量原理可能产生干扰信号的信号源，并对每一试块进行多次检测，选取其中检测信号相近的两组中的任意一组作为最终的检测结果，并记录检测数据[5-6]。根据磁记忆检测信号曲线，提取检测信号峰值和最大梯度值作为时域信号特征值，对管道试块的试验检测信号特征值如表2所示[7]。

表2 试块检测信号特征值

通过对3组检测信号的对比分析，发现随着施加交变载荷时间变化其磁场梯度值和峰值逐渐变大，对于相同管径下不同壁厚管道焊缝的磁记忆信号特征峰值随壁厚增加而增大，这是由于壁厚越大，其内部磁畴组织对信号影响越大，壁厚大显示出来的漏磁场也相应增大。而对于壁厚相同而管径不同，施加相同交变载荷下时间的磁记忆信号峰值和梯度值无明显变化，这是由于其厚度相同，外加交变载荷相同时，其内部磁畴特异性组织变化相似，故所产生的的磁记忆信号相似。

5 结语

（1）通过观察施加交变载荷后管道焊缝的金属磁记忆信号，可清楚观察管道焊缝产生应力集中区及应力水平变化。管道焊缝应力水平随施加交变载荷时间增加而增大，其特征值表现为峰值和梯度值均增大。

（2）对于相同管径不同壁厚的管道焊缝，施加相同交变载荷时间下的磁记忆信号特征峰值随壁厚增加而增大，特征梯度值也随壁厚增加而增大。

（3）而对于壁厚相同而管径不同，施加相同交变载荷时间下的磁记忆信号峰值和梯度值变化情况相似。