自安装井口平台外输海底管道疲劳拉伸磁记忆性能研究

谷 伟

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452）

0 引 言

近年来，随着深海装备的研发及海洋油气产业的发展，多种形式的海底管线和立管投入使用。海洋立管的安全与否直接影响海上油气生产与海洋生态环境，海洋立管长期服役于恶劣的海洋环境中，承受海风、波浪、海流等复杂自然环境载荷作用，其运行风险较大、破坏概率较高，严重情况下会造成海洋环境生态破坏和巨大的经济损失。疲劳破坏和应力性损伤是海洋立管的主要损伤形式。针对海洋立管应力状况的检测是一种行之有效的检测手段，可以通过检测获取海洋立管应力分布状况，进而实现对海洋立管寿命预测［1-5］。目前金属磁记忆检测技术缺乏系统的基础性研究支撑，受材料本身磁特性影响较大。开展多种应力载荷条件下典型的海洋立管材质试样磁记忆效应规律及机理研究，将为金属磁记忆检测技术广泛应用于海洋立管检测奠定实验基础，并为利用磁记忆检测技术实现海洋立管寿命预测提供评判依据［6-13］。

磁记忆检测技术作为一种弱磁检测技术用于实应力检测时，需要磁记忆检测传感器本身具备较高的灵敏度、较宽的线性区间、较低的磁滞。同时，由于容易受到实验室工频设备的干扰，在磁敏感元件的选型及放大滤波电路的设计上要求具备较好的低通特性及较强的抗干扰能力。为实现对多种应力载荷条件下典型海洋立管材质在线磁记忆信号扫描检测，需要独立设计磁记忆信号扫描检测配套构件，以方便将其安装于试验机侧。此外，为保证试验结果的准确性，对试验的前置预处理也是本课题面临的一个难点。课题计划针对典型海洋立管材质试样进行了大量的试验研究，建立了不同应力载荷条件下磁记忆信号相关特征参量与应力参量的对应关系模型［14-17］。

1 试验方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要试验装置

①MTS810 250高频疲劳试验机：MTS810 250疲劳试验机如图1所示，该装置的主要性能参数如表1所示。

图1 MTS810 250疲劳试验机Fig.1 MTS810 250 fatigue tester

表1 疲劳试验机主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of fatigue tester

②磁记忆检测系统：磁记忆检测系统主要包括磁记忆传感器、电机、驱动器、控制器、电源、数据采集器和 PC。其中磁记忆传感器在 NI 数据采集器的控制下对加载预定循环次数的试样表面进行磁信号采集。磁记忆检测系统组成如图2所示，磁记忆检测参数如表2所示。

图2 磁记忆检测系统Fig.2 Magnetic memory testing system

表2 磁记忆检测参数Tab.2 Magnetic memory testing parameters

1.1.2 试验材料

为研究海洋立管拉伸疲劳条件下的磁记忆信号变化规律，采用典型海洋立管材料X52、X70、X80钢通过机械加工制备试样。X52、X70、X80钢作为常见的管道钢，具有良好的机械性能。

1.2 试验方法及步骤

拉伸疲劳试验流程如图3所示。利用手持式显微镜对试样缺口宽度和深度进行观测拍照，设定试验参数开始试验，当循环次数达到设定间隔△T1时，停机完成磁记忆信号采集，当裂纹萌生后，将疲劳间隔缩小为△T2，直至试样发生断裂。疲劳试验后，利用高温线切割机对试样断裂部位进行切割，对试样进行清洗，烘干后对断口进行电镜扫描。整个疲劳试验步骤流程如图3所示。

图3 拉伸疲劳试验流程图Fig.3 Flow chart of tensile fatigue test

1.3 试验设置

对典型海洋立管材料 X80 钢通过机械加工而成的带预制缺陷试样进行不同应力等级下的拉伸试验，每组试验重复2次，共3组。

2 结果与讨论

2.1 疲劳过程裂纹扩展基本情况

对试样裂纹扩展情况进行图像监控拍摄。X80钢试样的疲劳断裂过程如图4所示。

图4 X80-006 #试样疲劳过程裂纹扩展情况Fig.4 X80-006 # sample fatigue process crack growth

在循环周次小于4 000时，试样表面没有裂纹萌生，4 000次后裂纹开始萌生，随着循环周次的增加，裂纹开始缓慢增长，并随着循环周次进一步增加。本试验中裂纹的扩展规律符合疲劳试验的一般规律。

2.2 疲劳过程中磁记忆检测原始信号变化规律

对X80钢试样进行了不同应力工况下的疲劳拉伸试验，首先对X80-006 #试样进行了最大应力为550 MPa、应力比0.1工况下的拉伸试验。磁记忆检测结果如图5所示（图中1 Gs=10-4T，下文同）。

图5 X80-006 #试样不同循环周次后试样表面磁记忆信号： （a）切向 （b）法向Fig.5 X80-006 # sample surface magnetic memory signal after different cycles：(a)tangent (b)normal

疲劳过程中，X80-006 #试样磁记忆切向信号逐渐降低，且在预制缺口附近有极值；试样磁记忆法向信号在缺口两侧有畸变，左侧有畸变值递增的趋势，右侧有畸变值递减的趋势。为验证磁记忆检测信号变化规律的重复性，使用相同材料的另一试样（X80-010 #）开展了同工况下的重复实验，X80-010 #试样的磁记忆检测结果如图6所示。

图6 X80-010 #试样不同循环周次后试样表面磁记忆信号： （a）切向 （b）法向Fig.6 X80-010 # sample surface magnetic memory signal after different cycles：(a)tangent (b)normal

对比图5、图6可以发现，在同一工况下，磁记忆检测信号变化趋势完全相同，试验周次一致性为96.4%，重复性良好。可以基于此数据进一步深入分析X80钢疲劳过程中的磁记忆信号变化规律。

2.3 疲劳过程中磁记忆检测信号特征参数提取

为探究能够反映海洋立管拉伸疲劳损伤过程的磁记忆检测信号参数，在上节对磁记忆原始信号分析的基础上对原始信号进一步处理分析。选取磁记忆检测切向信号进一步分析来提取特征参数［22-29］。

首先为了消除背景磁场的影响，对磁记忆检测切向信号进行了去背景处理，如图7所示。

图7 X80试样去背景处理后的磁记忆切向信号： （a）006 #试样 （b）010 #试样Fig.7 X80 sample magnetic memory tangential signal after background processing：(a)006 # sample (b)010 # sample

初始状态下，疲劳产生的应力集中导致的磁场与初始漏磁场方向相反。当裂纹萌生前，预制缺陷处的磁记忆信号峰值已经降低到零附近，随后开始反方向增加，且随着疲劳周次的增加，信号峰值增加的速度也逐渐增加。与疲劳过程裂纹扩展的规律一致，提取去背景磁记忆信号极值作为特征参数［18-21］。

去背景磁记忆信号极值HE(x) 特征参数的提取算法如式（1）～（3）所示。

其中：H(x)单位为（1 Gs=10-4T，下同）Gs。

提取的特征参数HE(x) 随疲劳周次的变化如图8所示。

图8 X80试样特征参数HE (x)随疲劳周次的变化： （a）006 #试样 （b）010 #试样Fig.8 X80 sample characteristic parameter HE (x) change with fatigue cycle：(a)006 # sample (b)010 # sample

提取的特征参数HE(x) 在裂纹萌生时出现了过零点的现象，随着疲劳周次增加，HE(x) 的增速也逐渐加大，与疲劳过程裂纹扩展的规律一致。

进行梯度处理，磁记忆信号变化如图9所示。

图9 X80试样梯度处理后的磁记忆切向信号： （a）006 #试样 （b）010 #试样Fig.9 X80 sample tangential magnetic memory signal after gradient treatment：(a)006# sample(b)010# sample

磁记忆梯度信号在预制缺陷附近出现了极大值和极小值，提取磁记忆信号去背景梯度信号极值连线斜率作为特征参数。具体提取方法如式（4）所示［30-32］。

式中：SK(x)为梯度信号极值连线斜率；K(x)max为梯度信号的极大值，GS；K(x)min为梯度信号的极小值，GS；lmax为梯度信号的极大值所在的横坐标，mm；lmin为梯度信号极小值的横坐标，mm。

提取的特征参数SK(x)随疲劳周次的变化如图10所示。

图10 X80试样特征参数SK (x)随疲劳周次的变化： （a）006 #试样 （b）010 #试样Fig.10 X80 sample characteristic parameter SK (x) change with fatigue cycle: (a)006 # sample(b)010 # sample

X80-006 #试样疲劳断裂的过程裂纹在4 000次左右萌生，特征信号参数SK(x) 在4 000次附近过零点。这表明，提取的特征参数SK(x) 和HE(x) 能够很好地反映试样的疲劳破坏过程，可用于海洋立管疲劳损伤的监测。

2.4 不同载荷工况下的疲劳断口形貌

试样疲劳断裂后使用扫描电镜对疲劳断口进行了分析。典型的疲劳拉伸断口宏观形貌如图11所示，疲劳断口的微观形貌如图12所示。

图11 X80-006 #试样疲劳断裂断口Fig.11 Macromorphology of fatigue fracture of X80-006 # sample

图12 X80-006 #试样疲劳断裂断口微观形貌Fig.12 Macromorphology of fatigue fracture of X80-006 # sample

在裂纹扩展区存在较多二次微裂纹，同时可以明显发现疲劳破坏典型特征之一的疲劳辉纹，而在断口瞬断区主要以剪切唇的形式存在［33-37］。

3 结 论

①疲劳拉伸过程中，海洋立管典型材质试样经过大量循环后，试样会在预制缺陷处萌生裂纹。在裂纹萌生后，随着循环周次的增加，裂纹开始缓慢增长，随着循环周次的进一步增加，相同循环周次后，裂纹扩展速率逐渐增大。断裂前，裂纹快速扩展。

②疲劳拉伸过程中，海洋立管典型材质试样磁记忆切向信号逐渐降低，且在预制缺口附近有极值；试样磁记忆法向信号在缺口两侧有畸变，左侧有畸变值递增的趋势，右侧有畸变值递减的趋势；随着循环周次的增加，切向信号下降速度及法向信号畸变速度都逐步升高；当试样接近断裂时，切向信号值极速下降，法向信号快速畸变。断裂后，试样切向磁场在断口出现峰值，法向磁场改变方向。

③特征参数HE(x) 在裂纹萌生时出现了过零点的现象，且随着疲劳周次的增加，HE(x) 增速也逐渐加大，与疲劳过程裂纹扩展的规律一致。

④特征参数SK(x) 在裂纹萌生时出现了过零点的现象，且随着疲劳周次的增加，SK(x) 增速也逐渐加大，与疲劳过程裂纹扩展的规律一致。

⑤本文提取的特征参数SK(x) 和HE(x) 能够很好地反映试样的疲劳破坏过程，可用于海洋立管疲劳损伤的监测。