基于多磁参数法的铁磁性材料管道疲劳检测应用

竺国荣 严瑞霖 王 杜 钱盛杰 董 洋 谭继东

（宁波市特种设备检验研究院）

工程应用上急需对铁磁性材料的疲劳状态全生命周期进行无损检测和评估［1～3］，特别是针对疲劳裂纹形成前和形成初期的检测技术，采用多磁参数法开展理论研究和技术研发，解决工程问题。 目前对于疲劳过程中的磁巴克豪森噪声（MBN） 信号变化的研究主要集中在位错密度的增加、滑移带的形成及裂纹的萌生等微观结构的变化，以及缺陷数目、畴壁与MBN峰值电压的相互作用等方面［4～6］。

铁磁性材料在循环载荷的作用下，MBN信号变化显著，为了探究循环载荷和单向载荷对MBN信号影响的区别，2004年英国的MOORTHY V研究了En36钢在超限应力（最大达1 700 MPa）循环作用下的MBN信号特性， 指出与单向载荷相比，高应力下的循环载荷会增加材料的位错密度，会使MBN信号峰值减小，加速材料疲劳。 利用MBN信号与循环周次的关系，可以对铁磁性材料的疲劳损伤进行无损检测。

近年来，在疲劳研究方面用多磁参数幅值验算取得新发展，用于压力管道检验，可快速评估管道疲劳强度，为管道运行提供保障［7］。基于多磁参数原理研制的一种铁磁性材料疲劳检测仪，具有快速、便捷进行在役设备关键部位扫描检测的优点，且检测灵敏度和准确度高。 采用多磁参数法对压力管道进行测量，依据不同疲劳强度下多磁参数特征值的变化，分析疲劳强度与多磁参数间的规律，实现了相对疲劳失效的预警。

1 检测目标

疲劳破坏最易发生的部位：一是在结构的几何不连续处即压力管道的应力集中的部位；二是存在裂纹类原始缺陷的焊缝部位，即使在交变的膜应力下也会发生疲劳裂纹的扩展而破坏。 如果两种情况同时存在于一处，就很容易发生疲劳破坏。

笔者分别在实验室和工程现场条件下开展管道疲劳检测，在进行压力管道检验的过程中选取的位置要符合上述情况。 检测的管道材料为20G，分别在实验室和工程现场进行检测。 其中，实验室测试2根压力管道试块， 测试次数不少于每根10次。 现场测试不少于2根现场疲劳工况压力管道，测试次数不少于每根8次。 测试结束后进行数据分析评估，数据分析评估不少于50组。

2 检测方法

2.1 检测仪器选取

采用多磁参数检测法完成对管道疲劳应力的检测，多磁参数检测仪主要由主机和探头两部分组成（图1）。

图1 多磁参数检测仪

2.2 测试方案

2.2.1 实验室测试

实验室测试即压力管道试块测试。 对2根压力管道（DN159 mm、DN108 mm），每根压力管道在弯头两侧、焊缝边至少选取8个位置，做4个方向的测试。 对压力管道（DN159 mm）疲劳循环0、1 000、3 000、6 000、10 000次后在同一位置进行数据采集分析。

2.2.2 现场测试

现场测试即吸附器连接管道在役检测。 管道的工作压力0.65 MPa， 工作温度常温， 材料为20G，规格DN200 mm×8.18 mm，循环的时间是100 s，分别在吸和呼的过程中检测两次，由于管线中间有阀门和法兰连接会产生不连续，因此选择在进出第1个口弯头两侧附近测试不少于6个位置、 在远离容器的直管部位测试不少于2个位置，画好单线图做好位置记录，且做好工况记录（如，电磁干扰等）。

检测实施过程中， 每隔500 mm做4个方向的测试，每条管线最少测量8个位置，如有弯头或其他管件，在焊缝附近母材区域检测，管件上不需要检测。 由于管道外部有油漆层，为了避免检测时提离不同，测量前测量区域需要打磨，打磨尺寸至少为60 mm×60 mm。

3 数据分析

将实验室获得的数据用于模型制作，分析数据时各多磁参数特征值作为自变量，疲劳寿命作为因变量。 将实验室测得的管道不同位置、不同方向的数据作横向对比，将这些数据制作多元线性回归模型，多元线性回归方程是对多个自变量和因变量间关系进行建模的一种回归分析，其数学模型如下：

其中，x和C表示自变量，β表示权重，y表示因变量。 线性回归模型参数见表1。 其中，权重β数值由实验室测得， 多磁参数x数值由实际测试得到。

表1 多元线性回归参数

通过使用上述线性回归方程， 将权重β数值和多磁参数x数值代入式（1），对现场测试数据进行回归分析，得到因变量y，将得出的结果列于表2。

表2 现场测试线性回归后数据

（续表2）

现场共对2根压力管道进行测试， 对每根管道选择8个位置，分4个角度进行测量，共96组数据。将疲劳寿命达到8 000次及以上的位置定义为危险位置。 结果中共有3组数据为危险，其中一组出现于VN-13A-3-1位置， 另外两组集中于VN-13B-1-1位置，通过现场实物图（图2）对比，发现出现疲劳预警位置均处于管道弯曲处，即结构的几何不连续处，需要对这些点位进行重视并处理。

图2 危险位置标注

4 结束语

针对铁磁性材料的疲劳损伤问题，提出采用多磁参数检测法进行检测。 首先在建立多元线性回归模型的基础上在实验室环境下进行标定，获得权重β值；接着，在工程现场进行测试，得到多磁参数x的值；最后，将上述数据代入回归模型，对数据进行回归分析， 确定压力管道的3处位置存在疲劳损伤情况。 说明多磁参数检测方法能有效判断铁磁材料的疲劳损伤， 测量结果准确高效，可在压力管道检测中进行大规模推广使用。