X80管線鋼不同缺陷類型的磁記憶檢測試驗研究

李云飛，韋利明，萬 強

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2.工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 612999)

X80管線鋼是我國目前油氣輸運應用最廣泛的管線鋼材.油氣管道長期高壓運行，與土壤、水分接觸或受地質運動的影響，運行一定年限后管道會趨于老化，因管體腐蝕、穿孔、裂紋等損傷導致的泄漏事故時有發(fā)生，因此對管道塑性變形與應力集中等早期隱性損傷進行有效無損檢測對災害事故的預防具有重要意義[1-2].

目前，常規(guī)無損檢測技術只適用于已成形的宏觀缺陷[3-5]，由俄羅斯Doubov[6]首次提出的金屬磁記憶檢測技術可對鐵磁材料應力集中、早期損傷等進行有效診斷，因此受到諸多研究者的普遍關注.Jiles等[7-8]對用于機械損傷檢測的剩磁測量方法，針對殘余應力和損傷檢測的磁彈聲速方法等進行了綜述；黃松嶺等[9]對地磁作用下ASTM1020鋼板磁信號變化進行了檢測研究；方發(fā)勝等[10]和王威等[11]分別對機械機構、建筑鋼結構中的Q235、Q345B鋼試件在靜拉應力下的磁場梯度信號進行了研究，并對材料的磁疇組織變化進行了分析；任吉林等[12]與王慧鵬等[13]分別開展了40Cr鋼、45CrMoVA結構鋼的不同周次的疲勞試驗，研究了載荷、周次與位置等因素對漏磁信號的影響規(guī)律.但磁記憶檢測對管線鋼的應用研究相對較少，加之油氣管道的材性、載荷方式及工作環(huán)境與上述構件存在顯著差異，有必要對管線鋼的力磁耦合效應特征以及載荷與磁信號的對應關系進行深入研究.

本文對X80管線鋼光滑試件、含人工預制穿孔與切槽試件進行靜載拉伸試驗，檢測試件表面誘發(fā)磁場的法向分量與切向分量，研究了不同載荷狀況下磁信號的變化規(guī)律，初步建立X80管線鋼塑性損傷與磁信號之間的對應關系，為磁記憶檢測技術在輸運管道領域的定量無損評估奠定基礎.

1 試 驗

1.1 試件

X80管線鋼具備高強度、高韌性和優(yōu)異的焊接性能，主要化學成分見表1.

表1X80管線鋼的化學成分(質量分數/%)

Table 1 Chemical composition of X80 pipeline steel (wt.%)

CSiMnCrNiNbVMo0.0630.281.830.030.030.0610.0590.22

目前,我國油氣管道主要用材為X80管線鋼，并且需要進行定期的全面檢測.因此,本文以X80管線鋼為研究對象，根據管道常見缺陷類型和尺寸，設計了無缺陷平板試件以及中心貫穿圓孔、雙側邊緣缺口2種反映應力集中的試件，以考察不同損傷分布狀態(tài)下的磁信號變化規(guī)律.考慮拉伸試驗機的載荷范圍、材料強度和試件檢測范圍的要求，設計A、B、C 3種試件，試件尺寸設計如圖1所示.

1)無缺陷平板試件(A型試件)：長500 mm，寬50 mm，厚5 mm.

2)中心貫穿圓孔平板試件(B型試件)：長500 mm，寬50 mm，厚5 mm，中心貫穿孔直徑為10 mm.

3)雙邊邊緣切口平板試件(C型試件)：長500 mm，寬50 mm，厚5 mm，切口寬度2 mm，單切口長度10 mm，切口尖端為半徑1 mm的圓弧過渡.

圖1 不同類型平板拉伸試件(單位:mm)

試驗中擬試件加載前和各次卸載后在空曠位置沿南北向放置，由北(N)向南(S)測量試件表面磁記憶信號，提離高度2 mm.磁記憶檢測參考線示意如圖2所示，檢測距離為150 mm，參考線間距為8 mm.A、B型試件提取測試參考線Line1的磁信號，C型試件提取Line4的磁信號.

圖2 磁記憶信號測量參考線示意圖(單位:mm)

1.2 試驗設備與方法

為分析X80管線鋼不同缺陷類型的磁記憶信號特征，研究管線鋼塑性損傷與磁記憶信號之間的對應關系，本文自行搭建了一套力磁耦合試驗系統(tǒng)，主要由損傷導入系統(tǒng)(拉伸試驗機)、塑性應變光學測量系統(tǒng)和磁記憶信號檢測系統(tǒng)3部分組成[14-15].

通過拉伸試驗機對管線鋼平板試件一次或多次導入不同程度的塑性損傷，模擬管線鋼在實際運行環(huán)境下因地質運動或工作壓力下的疲勞或蠕變等引起的應力集中和塑性損傷.采用ARAMIS三維光學應變測量系統(tǒng)對加載過程中不同加載次數后試件表面的全場應變分布情況進行測量.

考慮到試驗中管線鋼試件塑性損傷誘發(fā)磁場強度較小，要求磁場強度測量儀器具有較高的磁場分辨率，并且檢測探頭需具備較高的空間分辨率.本文選用TSC-3M-12型磁記憶檢測儀如圖3所示，用于試件準靜態(tài)拉伸過程中應力集中部位卸載后試件表面磁記憶信號的檢測.該儀器測量范圍為±2 000 A/m，磁場分辨率為1 nT，空間分辨率1 mm，磁場強度相對誤差為±5%.可掃描檢測試件表面任意一點或沿某直線行進，同時記錄磁場強度和受檢對象位移坐標.

圖3 TSC-3M-12型磁記憶檢測儀主機和傳感器

1.3 試驗方法與流程

本文對單個試件進行重復多次加載導入塑性損傷，卸載后測量其累計塑性應變及磁記憶信號.具體試驗流程為：1)試件拉伸前檢測其初始磁場信號，明確拉伸前試件的自然磁化情況；2)使用消磁器消除試件在加工制造、運輸和保存工程中的磁化履歷，然后檢測其消磁后的信號；3)拉伸試驗機對試件導入不同程度的塑性損傷，采用光學應變測量系統(tǒng)實時檢測試件表面的應變情況.卸載后離線檢測該次的試件表面磁記憶信號，然后重復第3步驟.

2 結果與討論

2.1 X80管線鋼的拉伸性能

本研究中各型試件的拉伸試驗均采用位移控制加載，加載速率為5 mm/min.圖4為X80管線鋼A型試件的工程應力-應變曲線，無缺陷試件的拉伸變形可大體分為彈性變形階段、屈服強化階段和頸縮斷裂階段.X80管線鋼標準拉伸試件斷裂延伸率可達20%，其中屈服強化段超過10%，拉伸破壞呈典型的塑性斷裂，表明X80管線鋼韌性良好.

圖4 X80管線鋼工程應力-應變曲線

Fig.4 Engineering stress-strain curve of X80 pipeline steel

根據各型試件準靜態(tài)拉伸試驗載荷-位移曲線，試件預設加載情況如表2所示.

表2各試件重復加載中當次加載的預設應變

Table 2 Predefined strain in different loading times of different specimens %

2.2 地磁場檢測結果

考慮到地磁場對試件磁記憶信號檢測結果的影響，對試件所擺放位置的地磁場法向分量和切向分量進行檢測.磁記憶信號如圖5所示，可見試件測試位置地磁場大小幾乎恒定，環(huán)境磁場單一，不會給檢測結果帶來明顯檢測誤差.

2.3 法向分量檢測結果

圖6～8分別為A、B、C型試件加載前及多次重復加載后的磁記憶信號法向分量檢測結果.圖中黑色曲線為3種試件加載前經過消磁處理后的原始磁場法向分量檢測信號，3種試件的磁記憶信號均隨檢測位移增大而近似線性減小，信號最大值與最小值的幅值約100 A/m，表明不同類型試件加載前的磁記憶信號分布基本相同.

由圖6可知，隨著加載次數的增加，A型試件磁信號法向分量(Hy)走向從平緩趨向波動，但未出現明顯峰值，200 mm檢測距離內磁信號變化規(guī)律類似.

圖5測試位置由南向北地磁場法向分量(Hy)和切向分量(Hx)

Fig.5 Normal component (Hy) and tangential component (Hx) of geomagnetic field in testing position from south to north

圖6 A試件法向分量結果

圖7 B試件法向分量結果

圖7、圖8中隨著加載次數的增加，B型試件與C型試件的磁信號法向分量(Hy)在位移坐標100 mm附近(即缺陷處)出現反對稱雙峰，隨著加載次數反對稱雙峰漸趨明顯，且磁信號在試件中心出現過零點現象.C型試件第4次加載后由于發(fā)生明顯屈服，雙峰值更大，過零點現象比B型試件更明顯.

圖8 C試件法向分量結果

2.4 切向分量檢測結果

圖9～11分別為A、B、C型試件加載前及多次重復加載后的磁記憶信號切向分量檢測結果.由圖9～11可見，不同類型試件加載前通過消除試件磁化履歷后，原始磁場切向分量基本接近于零位，信號幅值變化在20 A/m內，波動幅度小于法向分量.

圖9中,隨著加載次數的增加，A型試件磁場切向分量(Hx)走向從平緩趨向波動，但未出現明顯的峰值，200 mm檢測距離內磁信號變化規(guī)律類似.

圖9 A試件切向分量結果

圖10、圖11 中,隨著加載次數的增加，B型試件與C型試件磁信號切向分量(Hx)在位移坐標100 mm附近(即缺陷處)出現明顯單峰，隨著加載次數增加峰值逐漸增大.C型試件第4次加載后發(fā)生明顯塑性屈服，單峰現象最為明顯.

圖10 B試件切向分量結果

圖11 C試件切向分量結果

3 結 論

本文針對X80管線鋼設計了3種含不同缺陷類型的平板試件，采用自行搭建的檢測試驗系統(tǒng)，初步獲取了管線鋼塑性損傷與磁記憶信號之間的對應關系，得到以下結論：

1)無缺陷試件隨著塑性變形程度的增大，磁信號由線性規(guī)律分布趨于波動變化，但未出現明顯波峰波谷.

2)含穿孔或切槽缺陷試件隨著加載后塑性變形的增大，磁信號法向分量在缺陷附近出現反對稱雙峰與過零點現象，并且該現象漸趨明顯.磁信號切向分量在缺陷附近出現單峰，峰值隨加載次數逐漸增大.相關力磁效應特征與缺陷類型無關.

3)通過磁信號法向分量Hy和切向分量Hx是否出現波峰和波谷可用于判斷集中缺陷的存在，Hy和Hx信號波峰與波谷的對稱性可以被用于判斷集中損傷的位置.磁信號分量的峰谷值與試件的塑性變形程度存在一定非線性關系，為油氣管道X80管線鋼塑性損傷程度定量評估提供參考依據.