再制造抽油桿疲勞壽命評(píng)估的磁記憶檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

冷建成，張　輝，周國(guó)強(qiáng)，吳澤民

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

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再制造抽油桿疲勞壽命評(píng)估的磁記憶檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

冷建成，張輝，周國(guó)強(qiáng)，吳澤民

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

廢舊零部件壽命評(píng)估一直是再制造工程的技術(shù)難點(diǎn)之一。通過(guò)對(duì)預(yù)制溝槽抽油桿試件的拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)，利用磁記憶檢測(cè)儀在線測(cè)量試件表面在不同循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)，研究抽油桿疲勞損傷演化的切向幅值和法向峰峰值變化規(guī)律。通過(guò)引入李薩如圖，表明隨著循環(huán)的進(jìn)行所圍成的面積由變大到最大后又逐步減小，而非閉合圖形面積達(dá)到最大時(shí)正好對(duì)應(yīng)著宏觀裂紋即將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，提出切向法向合成磁場(chǎng)梯度最大值作為預(yù)測(cè)疲勞壽命的指標(biāo)，結(jié)果表明該特征參數(shù)與疲勞循環(huán)發(fā)展的不同階段相對(duì)應(yīng)，基于高斯函數(shù)擬合建立了其與歸一化壽命之間的定量關(guān)系模型，可用于抽油桿的疲勞壽命預(yù)測(cè)。

磁記憶檢測(cè)；特征參數(shù)；疲勞壽命；抽油桿

每年，我國(guó)各油田都有大量的抽油桿需要報(bào)廢或更換，而更換下來(lái)的舊抽油桿大部分經(jīng)過(guò)修復(fù)后仍可再利用。再制造工程的提出[1,2]，為廢舊抽油桿“變廢為寶”提供了用武之地。

再制造工程的第一個(gè)環(huán)節(jié)是判斷廢舊零部件是否具有可再制造性，即借助于各種檢測(cè)技術(shù)和方法對(duì)再制造毛坯進(jìn)行損傷程度評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)；然而，由于退役抽油桿損傷失效形式的復(fù)雜性和不確定性，采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行壽命評(píng)估比新產(chǎn)品更為困難。姜懷芳等[3]針對(duì)舊抽油桿設(shè)計(jì)了一套基于漏磁檢測(cè)原理的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，提出了抽油桿桿體表面缺陷的檢測(cè)、分類以及軸向定位的方法。何存富等[4]利用空心抽油桿管道中的導(dǎo)波頻散曲線和自行設(shè)計(jì)的環(huán)狀傳感器實(shí)現(xiàn)了抽油桿表面缺陷的有效檢測(cè)。譚英杰等[5]研制了抽油桿電渦流自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了抽油桿的全自動(dòng)連續(xù)缺陷檢測(cè)，提高了抽油桿缺陷檢測(cè)精度。

上述研究方法對(duì)已經(jīng)存在的宏觀缺陷效果明顯，但對(duì)于應(yīng)力集中和微小損傷的檢測(cè)卻無(wú)能為力，這就使得評(píng)估再制造毛坯的剩余壽命存在諸多困難。金屬磁記憶檢測(cè)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，通過(guò)對(duì)表面磁場(chǎng)的檢測(cè)，就可對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中區(qū)域作出判斷，從而達(dá)到診斷的目的[6]。徐濱士院士課題組探討了磁記憶技術(shù)用于再制造毛坯壽命評(píng)估的初步應(yīng)用，并深入研究了利用該技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的方法與途徑[7,8]。徐成通過(guò)磁記憶檢測(cè)對(duì)退役抽油桿在疲勞載荷狀態(tài)下的應(yīng)力集中、微觀缺陷和宏觀缺陷等進(jìn)行了分類，實(shí)現(xiàn)了再制造抽油桿的毛坯篩選及成品質(zhì)量評(píng)估[9]。但目前由于法向分量Нy信號(hào)存在正負(fù)號(hào)躍變、過(guò)零點(diǎn)、易于捕捉及分析等特點(diǎn)，大多磁記憶檢測(cè)只采集Нy信號(hào)。事實(shí)上，切向分量Нx和法向分量Нy信號(hào)是一對(duì)孿生變量，在疲勞損傷演變中均會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的特征信號(hào)。為此，本工作將采集法向分量Нy和切向分量Нx兩個(gè)方向的信號(hào)進(jìn)行分析，并分別提出表征抽油桿斷前信息和預(yù)測(cè)疲勞壽命的綜合指標(biāo)，為再制造毛坯壽命評(píng)估提供一種新思路。

1　金屬磁記憶檢測(cè)原理

金屬磁記憶檢測(cè)主要基于磁機(jī)械效應(yīng)，鐵磁性構(gòu)件在載荷和地磁場(chǎng)共同作用下，在應(yīng)力集中區(qū)會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后會(huì)保留下來(lái)，而且與曾經(jīng)受到的最大應(yīng)力有關(guān)，這種表面剩磁狀態(tài)記憶著金屬內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)和微觀缺陷位置[8]。如圖1所示，在應(yīng)力集中區(qū)和微觀缺陷位置，磁場(chǎng)的切向分量Нx出現(xiàn)最值、法向分量Нy具有改變符號(hào)且過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)特征。

圖1　金屬磁記憶檢測(cè)原理　(a)切向信號(hào)；(b)法向信號(hào)Fig.1　Testing principle of metal magnetic memory　(a)tangential signal;(b)normal signal

為了便于后文引用，這里引入兩個(gè)概念：切向幅值ΔHx和法向峰峰值ΔHy。

其中，切向幅值ΔHx定義為切向最值Hxmax與切向平均值Hxave差的絕對(duì)值，如式(1)所示。

(1)

式中：Hxmax為切向最值；Hxave為切向平均值。

法向峰峰值ΔHy定義為法向最大值Hymax與法向最小值Hymin之差，如式(2)所示。

ΔHy=Hymax-Hymin

(2)

式中：Hymax為法向最大值；Hymin為法向最小值。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)方案

2.1試件準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選用中間帶有預(yù)制車削溝槽的抽油桿試件，直接取自工程應(yīng)用的20CrMo鋼D級(jí)φ19抽油桿，屈服強(qiáng)度σs=685MPa，抗拉強(qiáng)度σb=885MPa。由于受疲勞試驗(yàn)機(jī)空間限制，抽油桿試件僅桿體部分縮短至330mm，其他部分與API規(guī)格尺寸完全相同。

實(shí)驗(yàn)選用了7組試件，其形狀和尺寸如圖2所示，其中為了模擬應(yīng)力集中，在試件正中間車削加工1個(gè)寬5mm、深2.5mm的環(huán)形圓弧凹槽。實(shí)驗(yàn)前每間隔90°沿桿體畫(huà)4條軸向測(cè)量路徑以備檢測(cè)用，其中測(cè)量路徑以預(yù)制溝槽為中心設(shè)為120mm。

圖2　抽油桿試件Fig.2　The specimen of sucker rod

由于試件經(jīng)加工后表面剩余磁場(chǎng)分布不均，為了消除初始剩余磁場(chǎng)的干擾，利用TC-2退磁器進(jìn)行退磁處理[10]，退磁前后的磁信號(hào)如圖3所示，可見(jiàn)退磁后磁信號(hào)除溝槽處其他部分均在地磁場(chǎng)值附近，而溝槽應(yīng)力集中處漏磁場(chǎng)畸變信號(hào)明顯。

圖3　退磁前后磁信號(hào)　(a)切向信號(hào)；(b)法向信號(hào)Fig.3　Magnetic signals before and after demagnetization　(a)tangential signal;(b)normal signal

2.2實(shí)驗(yàn)儀器

拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)在QBG-300高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其主要用于測(cè)定金屬及其合金材料在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或交變負(fù)荷的疲勞性能實(shí)驗(yàn)。高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)為微機(jī)控制，最大靜負(fù)荷為±300kN，動(dòng)負(fù)荷為180kN，其工作原理基于電磁諧振，即試件與上、下夾具和試驗(yàn)機(jī)組成一個(gè)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，當(dāng)電磁鐵的激勵(lì)信號(hào)頻率與該系統(tǒng)的固有頻率相同時(shí)產(chǎn)生共振，記錄顯示共振頻率約為104Hz。

磁信號(hào)檢測(cè)采用TSC-2M-8應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀，配備新型雙向2M型傳感器，可同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)的切向分量Нx和法向分量Нy。

2.3實(shí)驗(yàn)方案

檢測(cè)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，環(huán)境磁場(chǎng)主要為地磁場(chǎng)。首先將抽油桿試件裝夾在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，施加靜載Fs=30kN，動(dòng)載Fd=24kN。由于微機(jī)控制軟件設(shè)置至少循環(huán)1000次才能停機(jī)，基于疲勞初期和后期階段增加磁信號(hào)測(cè)量次數(shù)、疲勞循環(huán)中間階段適當(dāng)延長(zhǎng)循環(huán)間隔再停機(jī)檢測(cè)的原則，每循環(huán)至預(yù)定周次停機(jī)，卸靜載后沿測(cè)量路徑進(jìn)行磁信號(hào)檢測(cè)，注意檢測(cè)探頭勻速移動(dòng)，并保證提離值固定為2mm；同時(shí)借助低倍放大鏡跟蹤觀察并記錄試件是否形成裂紋及開(kāi)始擴(kuò)展情況，直至試件斷裂，整個(gè)過(guò)程都在疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)7組試件的壽命并不相同，但其磁信號(hào)的變化規(guī)律具有一致性，現(xiàn)以5#桿為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1加載前后的磁信號(hào)變化

加載前后磁信號(hào)的變化曲線如圖4所示，加載前由于預(yù)制溝槽的存在，切向和法向磁信號(hào)在缺陷位置出現(xiàn)異常波。

圖4　加載前后磁信號(hào)　(a)切向信號(hào)；(b)法向信號(hào)Fig.4　Magnetic signals before and after loading　(a)tangential signal;(b)normal signal

與加載前相比，試件循環(huán)1000次時(shí)切向和法向的磁信號(hào)已發(fā)生顯著變化：切向曲線波峰反向，曲線整體向下平移；法向曲線形貌反向，曲線整體趨于平緩。

3.2循環(huán)過(guò)程中的磁信號(hào)變化

前期階段磁信號(hào)的變化曲線如圖5所示，切向和法向磁記憶信號(hào)趨于穩(wěn)定，曲線整體上下跳變，切向和法向異常波幅值均不斷增加，切向幅值從23.7A/m增加到42.7A/m，法向峰峰值從42A/m增加到70A/m。

后期階段磁信號(hào)的變化曲線如圖6所示，切向和法向異常波幅值迅速減小，發(fā)現(xiàn)此階段正好伴隨著宏觀裂紋的擴(kuò)展，切向幅值從42.7A/m減小到19.5A/m，法向峰峰值從70A/m減小到55A/m。

圖5　前期階段磁信號(hào)　(a)切向信號(hào)；(b)法向信號(hào)Fig.5　Magnetic signals in the initial stage　(a)tangential signal;(b)normal signal

圖6　后期階段磁信號(hào)　(a)切向信號(hào)；(b)法向信號(hào)Fig.6　Magnetic signals in the last stage　(a)tangential signal;(b)normal signal

3.3斷裂前后的磁信號(hào)變化

斷裂前后磁記憶信號(hào)的變化曲線如圖7所示，可以看出，經(jīng)過(guò)223400次循環(huán)后，試件在預(yù)制缺陷處斷裂。與斷裂前最后一次測(cè)量(循環(huán)222400次)的磁信號(hào)相比，斷裂后切向異常波和法向異常波均反向，異常波波幅顯著增大，切向幅值從19.5A/m突然增加到226A/m，而法向峰峰值從42A/m增加到323A/m。

圖7　斷裂前后磁記憶信號(hào)　(a)切向信號(hào)；(b)法向信號(hào)Fig.7　Magnetic signals before and after fracture　(a)tangential signal;(b)normal signal

4　抽油桿疲勞斷裂前的臨界信息表征

抽油桿產(chǎn)生疲勞破壞，大致要經(jīng)歷裂紋成核或萌生、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展等階段。由于裂紋失穩(wěn)后快速擴(kuò)展而瞬間斷裂，因此如果能夠捕捉到宏觀裂紋擴(kuò)展階段將對(duì)剩余壽命評(píng)估意義重大。

由上述分析可知，磁記憶信號(hào)隨著整個(gè)疲勞循環(huán)過(guò)程都有不同的變化，為了綜合考慮切向和法向兩個(gè)正交矢量，引入李薩如圖來(lái)定性評(píng)估疲勞壽命[11,12]，如圖8所示。

圖8　不同疲勞壽命所對(duì)應(yīng)的李薩如圖Fig.8　Lissajous figures corresponding to different fatigue life

從圖8中不難發(fā)現(xiàn)，在疲勞循環(huán)前期階段，李薩如圖形成封閉區(qū)域，所圍成的面積基本不變；當(dāng)循環(huán)至154300次以后，李薩如圖面積開(kāi)始變大，而且圖形由完全封閉變?yōu)椴煌耆忾]，此過(guò)程對(duì)應(yīng)著微觀裂紋的擴(kuò)展。隨著疲勞循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)循環(huán)到215300次時(shí)，李薩如圖所涵蓋的局部閉合區(qū)域面積達(dá)到最大，此過(guò)程正好對(duì)應(yīng)著宏觀裂紋的擴(kuò)展；之后李薩如圖逐步減小，試件產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展而很快斷裂。

可見(jiàn)，根據(jù)切向和法向相互正交磁場(chǎng)矢量合成的李薩如圖可以定性判斷疲勞壽命的不同發(fā)展階段，而非閉合圖形面積達(dá)到最大時(shí)就意味著試件即將破壞，可作為捕捉斷前信息的臨界信號(hào)特征。

5　抽油桿疲勞壽命量化評(píng)估的磁記憶信號(hào)特征提取

為了進(jìn)一步研究磁記憶信號(hào)隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，在前文提到的切向幅值ΔHx和法向峰峰值ΔHy特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加切向法向合成磁場(chǎng)梯度最大值|Kxy|max指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)疲勞壽命。

切向法向合成磁場(chǎng)梯度最大值|Kxy|max定義為：

(3)

式中Hxy為切向法向合成磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖9　切向法向合成磁場(chǎng)梯度最大值|Kxy|max隨歸一化壽命的變化Fig.9　Variation of maximum value of synthetic magnetic field gradient with normalized life

由圖9可知，切向法向合成磁場(chǎng)梯度最大值|Kxy|max隨歸一化壽命的變化可以將整個(gè)疲勞演變過(guò)程劃分為4個(gè)階段：第Ⅰ階段，約占?jí)勖麼f的0.5%～1.5%，|Kxy|max出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，總體略有下降；此后進(jìn)入第Ⅱ階段，約占90%Nf，是疲勞損傷緩慢演變的主要階段，此階段磁信號(hào)基本穩(wěn)定不變。第Ⅲ階段，約占5%～10%Nf，特征參數(shù)快速增加，分析其原因?yàn)樵嚰藭r(shí)已從微觀裂紋逐步發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致試件內(nèi)部應(yīng)力分布明顯不均勻，在預(yù)制缺陷處應(yīng)力顯著集中，磁信號(hào)快速增加[13]。第IV階段，約占1%～3%Nf，特征參數(shù)迅速減小，其原因是裂紋斷面形成N, S極而引起與磁化強(qiáng)度相反的退磁場(chǎng)[14,15]，外在表現(xiàn)為宏觀裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，經(jīng)測(cè)量沿抽油桿的外徑周長(zhǎng)裂紋長(zhǎng)度由約5mm擴(kuò)展到40mm。最后突然斷裂，|Kxy|max瞬間急劇增大。

可見(jiàn)，切向法向合成梯度最大值與疲勞壽命的不同階段存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了進(jìn)一步量化評(píng)估|Kxy|max參數(shù)，采用高斯函數(shù)擬合得到其與疲勞壽命之間的量化關(guān)系如式(4)所示。

圖10　|Kxy|max參數(shù)與疲勞壽命之間的擬合曲線Fig.10　The fitted curve between parameter |Kxy|max and fatigue life

(4)

式中：各系數(shù)分別為a1=1.8×1015,b1=104.9,c1=0.8733,a2=11.79,b2=-10.47,c2=10.6,a3=9.004,b3=95.26,c3=5.207,a4=2.959,b4=19.69,c4=17.62,a5=3.364,b5=58.27,c5=21.75。

相應(yīng)的擬合曲線如圖10所示，可用于預(yù)測(cè)抽油桿的疲勞壽命。

6結(jié)論

(1)加載前后，切向和法向信號(hào)形貌均反向，切向信號(hào)整體向下平移；前期階段切向和法向信號(hào)趨于穩(wěn)定，后期階段切向和法向異常波幅值迅速減小，發(fā)現(xiàn)恰好伴隨著宏觀裂紋的擴(kuò)展；斷裂前后，切向和法向異常波均反向，異常波波幅顯著增大。

(2)抽油桿試件在疲勞循環(huán)過(guò)程中，李薩如圖由完全封閉變?yōu)椴煌耆忾]，所圍區(qū)域面積由開(kāi)始變大到最大后再逐步減小，可用于定性判斷疲勞壽命的不同發(fā)展階段，其中非閉合圖形面積達(dá)到最大時(shí)預(yù)示著試件瀕臨斷裂。

(3)提出了切向法向合成磁場(chǎng)梯度最大值作為抽油桿疲勞壽命量化評(píng)估的特征參數(shù)，并建立了其與歸一化壽命之間的關(guān)系模型，為退役抽油桿的疲勞壽命定量評(píng)估提供了一種新思路。

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Experimental Research on Predicting Fatigue Life ofRemanufacturing Sucker Rod by Magnetic Memory Testing

LENG Jian-cheng,ZHANG Hui,ZHOU Guo-qiang,WU Ze-min

(School of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Heilongjiang,China)

Fatigue life evaluation of retired parts is always one of the most difficult problems in remanufacturing engineering. Tension-tension fatigue experiments of precut groove sucker rod specimens were conducted, and on-line magnetic memory signals on the surfaces of specimens under different cyclic numbers were measured by magnetic memory testing instrument, and the variation regularities of the tangential amplitude and normal peak-peak value with different fatigue damage were exploited simultaneously. The Lissajous figure introduced shows that the surrounded area becomes larger, the largest and smaller finally, whilst the maximum closure area corresponds to the critical state of macroscopic crack about to unstable propagation. Furthermore, the maximum value of synthetic magnetic field gradient is proposed as an index to predict fatigue life. The results demonstrate that the characteristic parameter can reflect different development stages of fatigue cycles, and the quantitative relationship between the characteristic parameter and the normalized life is established by virtue of Gauss function, which can be used to predict the fatigue life of sucker rods.

magnetic memory testing;characteristic parameter;fatigue life;sucker rod

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.016

TE951;TG115.28

A

1001-4381(2016)09-0103-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11472076,11272084)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(GA13A402)

2015-11-01；

2016-03-04

冷建成(1977-)，男，教授，從事無(wú)損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷等方面研究工作，聯(lián)系地址：黑龍江省大慶市高新區(qū)發(fā)展路199號(hào)東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院(163318)，E-mail:lbyljc@163.com