基于巴克豪森技術(shù)的壓力管道表面應(yīng)力檢測

朱曉雪 業(yè)成 章彬斌

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 南京 210019）

基于巴克豪森技術(shù)的壓力管道表面應(yīng)力檢測

朱曉雪 業(yè)成 章彬斌

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 南京 210019）

壓力管道是危險性較大的特種設(shè)備，易因應(yīng)力集中導(dǎo)致?lián)p傷，故檢測壓力管道表面應(yīng)力具有重要意義。本文研究了巴克豪森噪聲技術(shù)的檢測原理，噪聲的五個特征值與壓力管道表面應(yīng)力的關(guān)系。設(shè)計應(yīng)力檢測硬件平臺，包括檢測探頭、信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)處理顯示模塊等。開發(fā)應(yīng)力檢測的軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理，實時提取MBN信號的特征值，實時監(jiān)測應(yīng)力情況。利用巴克豪森技術(shù)的快捷、無損等優(yōu)勢，實時精確檢測壓力管道表面應(yīng)力，保障其質(zhì)量安全和使用安全。

巴克豪森 壓力管道 應(yīng)力檢測

壓力管道作為一種特種設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等行業(yè)，在石油化工生產(chǎn)中管道更是連接各工藝設(shè)備的神經(jīng)，擔(dān)負(fù)著各設(shè)備之間的介質(zhì)傳遞，在設(shè)備投資中占有相當(dāng)大的比例。然而，壓力管道在實際使用過程中，由于在設(shè)計、制造、安裝及運(yùn)行管理中存在各類問題，管道的破壞性事故時有發(fā)生。引起壓力管道損壞的原因是多方面的，其中，壓力管道在連續(xù)性工作中承受相當(dāng)大的沖擊或載荷，受到擠壓、溫度變化、介質(zhì)腐蝕等影響，內(nèi)部會產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中或松弛，從而導(dǎo)致局部的缺陷、塑性扭曲、變形、斷裂，一旦發(fā)生斷裂將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傾覆等事故隱患。另一方面，在加工壓力管道的工藝中，可能會造成殘余應(yīng)力分布和磨削燒傷，其中的熱處理工藝參數(shù)如硬度、滲碳層深度、奧氏體含量、馬氏體含量及晶粒尺寸等，將影響材料的硬度、延展性等機(jī)械性能。壓力管道作為危險性較大的特種設(shè)備已經(jīng)正式列入安全管理與監(jiān)察規(guī)定，是生產(chǎn)、生活中廣泛使用的可能引起燃爆或中毒等較大危險的特種設(shè)備，因此，檢測壓力管道表面的應(yīng)力，監(jiān)測管道的狀態(tài)，及時評估使用壽命，以保證壓力管道的質(zhì)量安全和使用安全具有重要的意義。

在1919年，德國的Barkhausen教授發(fā)現(xiàn)了巴克豪森效應(yīng)，即鐵磁性材料在有外加變化磁場或應(yīng)力作用時，磁疇壁會進(jìn)行不可逆轉(zhuǎn)的運(yùn)動，經(jīng)過一段行程后遇到不被磁化的夾雜、缺陷等而停止運(yùn)動，積蓄足夠磁場能后，又?jǐn)[脫釘扎物而再次不可逆運(yùn)動直至再次被釘扎再次不可逆運(yùn)動。在被釘扎和脫離時，鐵磁性材料表面的傳感器能夠感應(yīng)到電脈沖，即所謂的磁巴克豪森噪聲（Magnetic Barkhausen Noise）[1]。

本文以巴克豪森噪聲技術(shù)為理論基礎(chǔ)，設(shè)計壓力管道應(yīng)力檢測系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對壓力管道表面應(yīng)力的實時檢測，檢測數(shù)據(jù)可追溯，方法快捷、精度高、速度快，而且成本低，項目的研究對提高壓力管道的安全質(zhì)量和確保壓力管道的安全使用具有重要意義，將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 巴克豪森技術(shù)

鐵磁性材料內(nèi)部有許多不同方向的微小磁疇。無外界因素作用時,每個磁疇的方向為其容易產(chǎn)生極化的結(jié)晶方向,鐵磁性材料整體磁化的等效結(jié)果為零，對外不顯磁性。當(dāng)有應(yīng)力作用或外加交變的磁場時，每個磁疇沿它的矢量方向會發(fā)生90°或180°的偏轉(zhuǎn)或是磁疇壁的移動，磁疇的這種變化會在鐵磁性材料里面產(chǎn)生一系列階躍式的突變的跳躍性脈沖信號，這種信號最早是德國Dresden大學(xué)巴克豪森(Barkhausen)教授發(fā)現(xiàn)的，故稱之為巴克豪森信號。磁化過程中出現(xiàn)的這種跳躍式的現(xiàn)象被稱為巴克豪森效應(yīng)。在巴克豪森信號跳躍時，鐵磁性材料表面的傳感器會接收到一定功率頻譜分布的微弱電信號噪聲，稱為巴克豪森噪聲(MBN)。

巴克豪森噪聲檢測技術(shù)是利用鐵磁性材料在磁化的過程中發(fā)生磁疇翻轉(zhuǎn)的微觀理論進(jìn)行測量的，通過放置在鐵磁材料表面的傳感器提取巴克豪森信號[2]，是一種新型的可提離、快捷、方便的無損應(yīng)力檢測技術(shù)。

圖1 磁滯回線與MBN噪聲

MBN信號以及影響MBN信號的因素可以用式（1）表示函數(shù)關(guān)系式：

式中：

σ——鐵磁性材料內(nèi)部的應(yīng)力；

HRC——鐵磁性材料表面的洛氏硬度；

Dg——鐵磁性材料的平均晶粒直徑；

H——外加磁場的磁場強(qiáng)度；

T——被測材料的溫度。

應(yīng)力因素對MBN信號的影響：鐵磁性材料的磁化方向與應(yīng)力方向平行時，MBN信號隨著拉應(yīng)力的增大而增大，隨著壓應(yīng)力的增大而減小，即圖2中A曲線所示；當(dāng)材料的磁化方向與應(yīng)力方向垂直時，MBN信號強(qiáng)度隨著拉應(yīng)力的增大而減小，隨著壓應(yīng)力的增大而增大，即圖2中B曲線所示；當(dāng)MBN信號強(qiáng)度在鐵磁材料達(dá)到屈服階段時呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

圖2 MBN與應(yīng)力的關(guān)系圖

MBN信號的平均值、均方根、振鈴數(shù)、峰值和峰寬比等信號特征值的變化，實質(zhì)由微觀結(jié)構(gòu)、狀態(tài)以及受力引起的，可以反映應(yīng)力情況和評估疲勞損傷的程度等。

平均值的計算公式見式（2），其中n為數(shù)個完整周期的采樣點(diǎn)數(shù)：

均方根的計算公式見式（3），其中n為數(shù)個完整周期的采樣點(diǎn)數(shù)：

振鈴數(shù)的計算方法如圖3所示，可見，振鈴數(shù)的大小與選擇的閾值和MBN信號強(qiáng)度有關(guān)，振鈴數(shù)的閾值一般選擇為MBN信號峰值的1/3。

圖3 振鈴數(shù)計算示意圖

峰寬比為包絡(luò)線的峰值與包絡(luò)線的半高全寬的比值，而半高全寬是指包絡(luò)線在到達(dá)峰值的二分之一時所對應(yīng)的寬度。提取包絡(luò)線的峰值和半高全寬如圖4所示。

圖4 特征值峰值和峰寬比的提取示意圖

2 應(yīng)力檢測系統(tǒng)平臺（見圖5）

圖5 應(yīng)力檢測系統(tǒng)框圖

應(yīng)力檢測系統(tǒng)平臺是由激勵產(chǎn)生放大模塊、信號檢測調(diào)理模塊、信號顯示交控模塊等組成。該系統(tǒng)在巴克豪森技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過檢測巴克豪森信號，提取巴克豪森信號的特征值，實時顯示檢測的應(yīng)力情況，從而判斷出壓力管道的受力集中區(qū)。該系統(tǒng)具有成熟的巴克豪森技術(shù)理論依據(jù)，實時性好、操作便捷的控制界面等優(yōu)勢。

激勵產(chǎn)生放大模塊包括信號產(chǎn)生電話和功率放大電路，其中，信號產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)激勵信號的產(chǎn)生，提供巴克豪森信號產(chǎn)生需要的外界交變磁場。功率放大電路實現(xiàn)激勵信號的放大，提高帶負(fù)載的能力。信號檢測調(diào)理模塊包括檢測探頭、信號調(diào)理電路和信號采集電路。當(dāng)激勵線圈通以交變的激勵信號時，磁軛上產(chǎn)生交變的磁場，對壓力管道的待測部位進(jìn)行局部磁化，接收線圈能夠感應(yīng)到壓力管道因磁疇翻轉(zhuǎn)或磁疇壁移動所產(chǎn)生的MBN信號。壓力管道即被檢測的對象。信號調(diào)理電路對接收的MBN信號進(jìn)行濾波放大。采集電路實現(xiàn)對模擬信號的采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)化為上位機(jī)可處理的數(shù)字信號。信號顯示交控模塊即上位機(jī)，在上位機(jī)上實現(xiàn)應(yīng)力檢測的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)人機(jī)交互控制的界面，應(yīng)力和MBN信號特征值的實時顯示。電源是保證整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

圖6 應(yīng)力檢測硬件平臺系統(tǒng)

3 壓力管道表面應(yīng)力檢測

在壓力管道表面施加壓應(yīng)力，用應(yīng)力檢測系統(tǒng)檢測壓力管道表面的MBN信號，如圖7所示，將信號進(jìn)行放大、濾波、去噪處理，然后提取MBN信號的均值、均方根、峰值、峰寬比和包絡(luò)線等，進(jìn)行大量的實驗，得到壓力管道表面應(yīng)力與MBN特征值之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖8所示檢測的MBN均方根與壓應(yīng)力的關(guān)系，MBN信號均方根隨著壓應(yīng)力的增大而減小。然后，將檢測探頭放在壓力管道上，在顯示屏上顯示當(dāng)前檢測的MBN信號特征值和對應(yīng)的應(yīng)力值，并繪制應(yīng)力的實時變化曲線，從而判斷出壓力管道的應(yīng)力集中區(qū)，對診斷壓力管道的應(yīng)用狀態(tài)具有實質(zhì)性的指導(dǎo)意義。

圖7 檢測的MBN信號

圖8 MBN均方根與壓應(yīng)力的關(guān)系

4 結(jié)論

在壓力管道的彈性區(qū)域，MBN信號強(qiáng)度隨著壓力管道表面壓應(yīng)力的增大而減小，即均值、均方根、峰值、峰寬比均隨壓力管道表面壓力的增大而減小。應(yīng)力檢測系統(tǒng)平臺可以實現(xiàn)壓力管道表面應(yīng)力的實時檢測，及時診斷壓力管道的應(yīng)力集中區(qū)，并且可以存儲檢測數(shù)據(jù)、追溯查詢。本文利用先進(jìn)的巴克豪森技術(shù)，研發(fā)應(yīng)力檢測系統(tǒng)，具有自主研發(fā)產(chǎn)權(quán)，對實現(xiàn)壓力管道表面的應(yīng)力檢測具有重要意義。

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Stress Detection of Pressure Piping Surface Based on Barkhausen Technique

Zhu Xiaoxue Ye Cheng Zhang Binbin
(Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Nanjing 210019)

The pressure pipeline is the greater danger special equipment. The pressure piping can be easily leaded to injury because of stress concentration, so it is important to detect the stress on pressure pipeline surface. This paper studies the detection principle of Barkhausen noise technique, and the relationship between the five characteristic values of Barkhausen noise and the surface stress of pressure pipe. Design hardware platform to detect stress, including the detection probe, signal generating module, acquisition data module and PC processing display module etc. To develop the stress detection software, which realizes the data acquisition and processing, the extraction of MBN characteristic value , the real-time monitoring of stress situation. Take the advantage of Barkhausen technology, such as fast, non-destructive etc, to realize real-time and accurate detection of stress on pressure piping surface, guarantee the quality and the safe using of pressure piping.

Barkhausen Pressure piping Stress detection

X924.2

B

1673-257X(2015)10-0045-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.011

朱曉雪(1988～), 女，碩士，從事承壓類特種設(shè)備檢驗檢測及管理工作。

2015-08-27）