基于弱磁法的管道裂紋內(nèi)檢測(cè)技術(shù)探索

羅寧* 劉斌 何璐瑤 陳翠翠 高富超

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西部管道分公司）

0 引言

在油氣管道建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中，管材在內(nèi)壓及外部載荷作用下，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性會(huì)在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，部分應(yīng)力集中可能導(dǎo)致管材局部產(chǎn)生裂紋并發(fā)生擴(kuò)展。裂紋是壓力管道最危險(xiǎn)的一種缺陷，也是導(dǎo)致壓力管道失效較常見(jiàn)的原因［1］。

目前，管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是管道內(nèi)檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，在金屬損失、焊縫異常等問(wèn)題的檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用。該技術(shù)能夠探測(cè)和識(shí)別具有一定開(kāi)口寬度的裂紋及類裂紋缺陷，但難以有效探測(cè)和識(shí)別開(kāi)口寬度較小的裂紋類缺陷，因此該技術(shù)在檢測(cè)管體的裂紋及類裂紋缺陷時(shí)存在一定局限性［2-6］。弱磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)可有效識(shí)別寬度較小的裂紋，且具有設(shè)備輕便、無(wú)需磁化、快速便捷等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮?，受到?guó)內(nèi)外同行普遍重視［7-9］。

利用仿真軟件建立了管道裂紋受力模型及力磁耦合模型，通過(guò)模擬管道裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的應(yīng)力分布及裂紋尖端應(yīng)力值變化時(shí)的弱磁信號(hào)強(qiáng)度，分析管道裂紋的弱磁信號(hào)特征以及裂紋擴(kuò)展前的信號(hào)變化規(guī)律。

1 弱磁信號(hào)與裂紋關(guān)系研究

1.1 裂紋及其應(yīng)力分布仿真

在外部載荷作用下，管道裂紋缺陷附近存在著明顯的應(yīng)力集中分布，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，應(yīng)力分布情況隨之變化。在裂紋萌生與初始裂紋擴(kuò)展前，裂紋尖端的等效應(yīng)力未達(dá)到疲勞失效值，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)應(yīng)力逐漸增加。在這一過(guò)程中，可以通過(guò)應(yīng)力的大小判斷裂紋萌生及初始裂紋失效程度［10-12］。

利用Abaqus（有限元數(shù)值模擬技術(shù)）仿真軟件進(jìn)行力學(xué)仿真，建立X80管道的裂紋擴(kuò)展模型，通過(guò)提取裂紋擴(kuò)展前裂紋尖端的等效應(yīng)力值，得到初始裂紋失效前裂紋尖端的等效應(yīng)力值變化情況。仿真中，裂紋從0幀開(kāi)始受到外部載荷作用，載荷加載期間幀數(shù)逐漸增加。

仿真采用半邊管道對(duì)稱模型，管道材料為X80管線鋼，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa，管道直徑為1 219 mm，管壁厚度為18.4 mm。初始外裂紋長(zhǎng)度為10 mm、深度為4 mm，根據(jù)對(duì)稱關(guān)系，裂紋實(shí)際長(zhǎng)度為20 mm。對(duì)管壁內(nèi)表面施加10 MPa壓力載荷，模擬管道裂紋的擴(kuò)展。仿真過(guò)程中，裂紋的損傷準(zhǔn)則采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，最大主應(yīng)力設(shè)為84.4 MPa，損傷演化采用基于能量的線性軟化、冪法則的混合模式行為，斷裂能由實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算得到，為33 001 N/m。X80鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1，模型及仿真效果見(jiàn)圖2。

圖1 X80鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 仿真圖

仿真過(guò)程中應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖3。提取裂紋尖端等效應(yīng)力值。等效應(yīng)力的數(shù)值在載荷加載后逐漸增加直至裂紋擴(kuò)展，裂紋尖端的應(yīng)力分布云圖會(huì)隨著裂紋擴(kuò)展而變化。模型中裂紋尖端單元編號(hào)為12670，裂紋長(zhǎng)度在第34幀時(shí)發(fā)生擴(kuò)展，因此，提取34幀之前每一幀的等效應(yīng)力值，具體見(jiàn)表1。裂紋擴(kuò)展前裂紋尖端等效應(yīng)力值隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖4。

圖3 應(yīng)力分布云圖示意圖

表1 裂紋尖端等效應(yīng)力值（1～34幀）

圖4 裂紋尖端等效應(yīng)力變化曲線

由表1及圖4可知，管道裂紋的失效伴隨著裂紋尖端等效應(yīng)力值的增加，當(dāng)裂紋尖端斷裂能達(dá)到33 001 N/m時(shí)，裂紋失效擴(kuò)展。因此，在進(jìn)行管道裂紋檢測(cè)時(shí)，可以通過(guò)裂紋尖端的等效應(yīng)力值判斷裂紋的失效程度。

1.2 應(yīng)力與磁導(dǎo)率關(guān)系

根據(jù)能量守恒原則，單位體積磁化功之差等于由外應(yīng)力所引起的單位磁能的變化量。

單位體積的磁能為：

式（1）中：W——單位體積的磁能，J/m3；H——外磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；B——單位體積介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

當(dāng)介質(zhì)不受外應(yīng)力時(shí)，一定磁場(chǎng)環(huán)境下，磁通密度為B1，磁能為W1，相對(duì)磁導(dǎo)率為1μ；當(dāng)介質(zhì)受外應(yīng)力時(shí)，磁通密度為B2，磁能為W2，相對(duì)磁導(dǎo)率為2μ。單位體積的磁能變化量為：

結(jié)合式（1）和式（2）得：

已知：

式（2）～（4）中：ΔW——單位體積的磁能變化量，J/m3；B地——地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，5×10-5T；0μ——真空磁導(dǎo)率，取4π×10-7T·m/A。將式（4）代入式（3），整理得：

單位體積磁化功是外應(yīng)力引起的單位體積的鐵磁體形變所做的功，即：

式（6）中：ΔlW——單位體積磁化功，J/m3；Δl——由外力引起的鐵磁體沿受力方向的彈性形變量，m；l——鐵磁體沿受力方向的長(zhǎng)度，m；σ——外應(yīng)力，MPa。由胡克定律可知：

式（7）中：E——材料彈性模量，MPa。由ΔW=ΔWl，整理式（5）～（7）可得：

得到磁導(dǎo)率和外應(yīng)力的關(guān)系式：

1.3 磁導(dǎo)率與磁信號(hào)關(guān)系

建立三維的鐵磁體平板模型進(jìn)行靜磁學(xué)仿真，取地磁場(chǎng)環(huán)境下只受磁導(dǎo)率影響的鐵磁體表面磁信號(hào)。為避免不同磁導(dǎo)率對(duì)鐵磁體磁化的影響，每組實(shí)驗(yàn)給模型賦予單一磁導(dǎo)率，取模型中心處上方的磁信號(hào)進(jìn)行分析。

模型如圖5所示。外層為空氣層，相對(duì)磁導(dǎo)率1μ為1，在空間中施加磁平衡條件，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B地=5×10-5T。內(nèi)層為鐵磁體，分別設(shè)置不同磁導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)。掃描路徑為沿磁化方向提離1 mm。

圖5 模型及掃描路徑

通過(guò)靜磁學(xué)仿真得到不同磁導(dǎo)率下的鐵磁體表面磁信號(hào)，如圖6所示。

圖6 磁導(dǎo)率-磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

1.4 等效應(yīng)力與磁信號(hào)關(guān)系

將圖6中的仿真數(shù)據(jù)與表1結(jié)合，得到等效應(yīng)力與磁信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系曲線。等效應(yīng)力與磁信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。

圖7 等效應(yīng)力-磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

由圖7可知，在彈性范圍內(nèi)，等效應(yīng)力的大小和信號(hào)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，隨著等效應(yīng)力的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線性減弱趨勢(shì)。

1.5 裂紋信號(hào)特征仿真

仿真過(guò)程中半邊裂紋的應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3。從裂紋中心至裂紋尖端的單元號(hào)為12661—12670，12671—12680單元分別距離裂紋尖端1～10 mm，如圖8所示。取34幀時(shí)各單元的等效應(yīng)力值，具體見(jiàn)表2。

圖8 單元位置示意圖

表2 34幀時(shí)裂紋各單元等效應(yīng)力值

利用上述方法可以得到半邊裂紋的弱磁信號(hào)，如圖9所示。通過(guò)對(duì)稱關(guān)系可知，管道上裂紋的弱磁信號(hào)特征為出現(xiàn)峰值，峰值位于裂紋中心12661單元處，信號(hào)波動(dòng)寬度略大于裂紋長(zhǎng)度。隨著探頭遠(yuǎn)離裂紋尖端，磁信號(hào)逐漸趨于平穩(wěn)。24幀時(shí)裂紋的弱磁信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)大于14幀，即，裂紋在彈性形變階段，隨著裂紋尖端等效應(yīng)力增加，弱磁信號(hào)波動(dòng)變大，使裂紋特征更容易被檢測(cè)到。

圖9 仿真計(jì)算弱磁信號(hào)特征

2 含裂紋鋼材彈性拉伸實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性，設(shè)計(jì)了X80鋼材的彈性拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)試樣如圖10。裂紋方向垂直于拉伸方向，裂紋尺寸長(zhǎng)20 mm、寬0.5 mm、深2 mm。實(shí)驗(yàn)裝置及檢測(cè)設(shè)備放置如圖11。

圖10 拉伸試樣

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用100 t的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，逐漸增加拉力以改變裂紋尖端受到的應(yīng)力值。采用弱磁檢測(cè)設(shè)備采集裂紋尖端正面弱磁信號(hào)，信號(hào)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12。

圖12 試件正面裂紋尖端信號(hào)

由圖12可以看出，在100 MPa的拉力范圍內(nèi)，磁信號(hào)強(qiáng)度隨著應(yīng)力值的增加而減小，與仿真結(jié)論相吻合，驗(yàn)證了理論仿真的正確性。

3 結(jié)論

由X80鋼材制作的管道上的裂紋，在受到拉伸載荷后，裂紋尖端的應(yīng)力值逐漸增大，在管材彈性形變階段，弱磁信號(hào)呈線性變化。利用弱磁方法檢測(cè)裂紋時(shí)，裂紋信號(hào)特征為出現(xiàn)峰值，裂紋周?chē)刃?yīng)力越大，信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)值越大。

通過(guò)對(duì)弱磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)裂紋方法及裂紋弱磁信號(hào)特征的研究，表明該方法在檢測(cè)裂紋方面具有巨大潛力，可以作為漏磁檢測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充輔助排查裂紋缺陷。目前，弱磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)已在西氣東輸二線天然氣管道進(jìn)行應(yīng)用，效果良好。但是，由于研究?jī)?nèi)容是在預(yù)制裂紋的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，如何區(qū)分裂紋缺陷與腐蝕型缺陷的信號(hào)特征還需進(jìn)一步深入研究。