管線鋼磁力耦合效應及在線無損應力檢測

翁光遠，張煜敏，代建波，石 韻

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

引 言

天然氣管線鋼是典型的鐵磁性材料，基于磁力耦合效應，國內(nèi)外學者開展了鐵磁材料構件的無損在線應力檢測技術研究。Mierczak L,Jiles D C,Fellow[1]等人研究了利用磁巴克豪森噪聲(Magnetic Barkhausen Noise，MBN)效應進行機械應力評估的新技術，Yelbay H Ilker,Cam Ibrahim,Gur Hakan C[2]等人研究了鋼材焊縫應力狀態(tài)的磁巴克豪森效應無損檢測，Sagar S P,Parida N,Das S[3]等人研究了低碳結(jié)構鋼的磁聲發(fā)射疲勞損傷評估方法。MBN效應不僅可以評定鐵磁件的應力狀態(tài)，而且具有監(jiān)測構件變形的潛力，Sanchez等[4]通過研究表明了MBN信號幅值與結(jié)構構件材料一定深度變形的關系。在油氣管道損傷磁性檢測方面，楊叔子[5-7]等提出了一種適于對油管損傷現(xiàn)場檢測的磁性檢測法并設計了多傳感器子系統(tǒng),王錫江等[8]利用脈沖漏磁檢測技術對附帶保溫材料的管道進行了腐蝕缺陷的定量檢測，康中尉等[9]對鋼管表面缺陷利用交變漏磁原理進行了檢測，閔希華等[10]針對油氣管道應力在線檢測及風險評價提出弱磁應力內(nèi)檢測技術。這些研究成果揭示了鐵磁材料缺陷與磁場參量之間的關系，實現(xiàn)了損傷識別。同時，相關研究學者對磁鐵材料的磁力效應也進行了研究，王樹志等[11]通過懸臂鋼梁加載試驗對鋼梁表面應力進行了測量，建立了磁化方向下應力與磁參量之間的關系。孫志遠等[12]對Q235建筑鋼材進行了磁力檢測試驗研究，建立了磁感應力強度與應力的關系。熊二剛等[13-14]基于磁力效應，對鋼結(jié)構構件的全磁通量應力檢測技術的理論進行了研究，揭示了Q235鋼材的磁力本構關系。

總之，國內(nèi)外學者在管道缺陷磁性檢測技術及鐵磁材料應力檢測領域取得了較多的成果，但是沒有專門針對常見管線鋼磁力學效應及應用的研究。為此，本文對X80管線鋼的磁力學微觀機理進行研究，提出磁力耦合應力檢測技術并進行試驗研究，建立X80管線鋼的磁力學本構模型及應用方法。

1 X80管線鋼磁力效應機理

1.1 X80管線鋼磁特性試驗試樣

選用某鋼廠不同生產(chǎn)批次的X80管線鋼圓棒試樣，進行磁特性試驗研究，試驗試樣的主要化學成分見表1。

表1 X80管線鋼圓棒試驗化學成分及力學指標Tab.1 Chemical composition and mechanics indexes of X80 pipeline steel

樣品出廠長度為2 500 mm，對成品試樣進行手工切割，以減少熱熔引起材料內(nèi)部結(jié)構變化后對磁性的影響。為了便于進行磁力學性能測試試驗，每組包括5根長度均為500 mm的試驗試樣，由2 500 mm成品切割而成，分別用于微觀結(jié)構電鏡掃描、磁滯曲線測定、磁化參數(shù)確定、磁通量-拉應力試驗、磁通量-壓應力試驗等試驗工況。

管線鋼磁特性試驗研究的主要目的為：(1)探明X80管線鋼微觀結(jié)構對磁特性的影響；(2)測得X80管線鋼試驗試樣的磁化曲線，確定其技術磁化的重要參數(shù)，為勵磁裝置的性能設計及結(jié)構優(yōu)化提供依據(jù)；(3)測得X80管線鋼試驗試樣的磁性變化范圍，為磁性測量系統(tǒng)的構造設計、結(jié)構優(yōu)化、磁路優(yōu)化和工作性能參數(shù)確定提供理論依據(jù)。

1.2 X80管線鋼微觀結(jié)構試驗

天然氣管線鋼的化學成分及含量對微觀磁疇結(jié)構有重要影響，從磁力耦合角度揭示管線鋼的可焊性、抗拉壓強度、韌性(低溫韌性)，以及天然氣管道的力學行為演變機理是研究的熱點問題[15-16]。在微觀結(jié)構方面，管線鋼與純鐵、電工鐵有區(qū)別，因此，采用徠卡DMI3000M/ DFC450倒置金相顯微鏡，對X80管線鋼的4組試驗試樣，在放大200倍條件下，進行了微觀結(jié)構顯微金相成圖分析。

試樣通過粗砂輪、細砂輪磨平，經(jīng)拋光粗糙度控制在Ra0.04以下。在電子顯微鏡放大200倍條件下，X80管線鋼試樣任意取得的4個不同位置截面顯微組織形態(tài)金相圖如圖1所示。

圖1 X80管線鋼試樣不同位置截面微觀組織Fig.1 Microstructure of X80 pipeline steel specimens on different sections

從圖1中可以看出，X80管線鋼試樣的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成，晶粒大小比較均勻，符合管線鋼組織結(jié)構的要求。根據(jù)圖像分析，珠光體為12.45%，鐵素體為87.55%，珠光體平均直徑約為64 μm。較一般鐵磁材料而言，X80管線鋼的珠光體含量高，對應的強度和硬度也高，但其導磁性比一般鐵磁材料低。

1.3 X80管線鋼磁化曲線

管線鋼的生產(chǎn)工藝、組成成分、組織結(jié)構等與一般鐵磁材料有區(qū)別，其磁性也與純鐵等普通鐵磁材料有區(qū)別。本文通過測試1#、2#、3#、4#X80管線鋼的磁化曲線，研究其主要特征和影響因素。磁化曲線測試設備采用美國量子科學儀器(Quantum Design)公司的SQUID-VSM磁性測量系統(tǒng)，其工作參數(shù)見表2。

表2 磁性測量系統(tǒng)工作參數(shù)Tab.2 Parameters of magnetic measuring system

試驗中，通過在常溫下，以100 Oe/s的速率加載磁場，得出磁場強度與磁矩的對應關系，然后反算出B-H關系曲線。選擇高斯單位制，磁矩M的單位為emu(1 emu=10-3A·m2)，磁場強度H的單位為Oe(1 Oe=10-4T)，試件磁化強度等于試件磁矩與體積的比值。數(shù)據(jù)處理過程中，通過轉(zhuǎn)換單位，把H-M轉(zhuǎn)換為B-H關系曲線。本試驗主要通過磁化曲線分析X80管線鋼磁特性，測試在常溫環(huán)境下進行，不考慮環(huán)境溫度變化對磁化曲線的影響，測試所得出的X80管線鋼典型磁化曲線如圖2所示，其磁化曲線的形狀和其他鐵磁材料相近。

圖2 X80管線鋼試樣磁化曲線Fig.2 Magnetization curve of X80 pipeline steel specimen

從圖2的磁化曲線可以看出，X80管線鋼磁化曲線的特征參數(shù)飽和磁化強度Ms為1.5 A·m2，當勵磁磁場強度為0～0.25 T時，勵磁磁場強度和磁化強度呈線性關系；當勵磁磁場強度為0.25～0.5 T時，磁化強度增加緩慢；當勵磁磁場強度超過0.5 T，磁化強度基本不再隨著勵磁磁場強度的增大而增加。在利用磁力耦合效應進行應力檢測時，磁化曲線的特征參數(shù)是確定技術磁化參數(shù)的重要依據(jù)。

根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗確定X80管線鋼的技術磁化參數(shù)，飽和磁化強度Ms為1.5 A·m2，取平均場相鄰磁疇之間的耦合系數(shù)為0.001，比例常數(shù)c為0.01，磁化曲線修正變量k為1 265 A/m，磁化曲線的測定為勵磁裝置的線圈提供了參考依據(jù)。

2 磁力耦合應力檢測系統(tǒng)及試驗方法

2.1 基本原理

鐵磁材料應力的變化能夠引起磁疇結(jié)構的改變，使磁感應參量發(fā)生改變，在被測試件受力過程中，通過測量其對磁場的感應參量可以得出應力的情況。X80管線鋼屬于多晶體鐵磁材料，在受到應力和外磁場同時作用時，表征磁特性的參量磁導率也隨之變化，圓棒試樣受到軸向應力(拉力或壓力)時，其軸向發(fā)生變形，使其磁化強度發(fā)生變化，根據(jù)Joule效應，可知：

(1)

式中：l為圓棒試樣的原長；Δl為圓棒試樣變形量；λs為軸向形變常數(shù)；Ms為飽和磁化強度；Ku為單軸磁各向異性常數(shù)；ΔM為磁化強度的變化值；θ0為磁場與易磁化軸間的角度。

通常，磁化強度隨著磁導率的變化而變化，根據(jù)鐵磁材料的磁化理論，可知：

ΔM=Δ[(μ-μ0)H]。

(2)

式中：μ為鐵磁材料的磁導率；H為磁場場強。在恒定磁場作用下，即當H不變時，有

ΔM=ΔμH。

(3)

根據(jù)材料力學的胡克定律，

(4)

式中：E為鐵磁材料的彈性模量。由式(1)—(4)可得：

(5)

磁導率可由磁場強度H和磁通量密度B來描述：

B/H=Δμ。

(6)

由圖4的磁化曲線可知，磁導率并不是磁化曲線的斜率，它表示B和H的比值。將式(6)代入式(5)可得：

(7)

式(7)表達了在磁場作用下鐵磁材料試樣的應力與感應磁通量之間的關系。在應用中，取磁場與易磁化軸間的角度θ0=45°，X80管線鋼彈性模量E=190 GPa，取飽和磁致伸縮系數(shù)λs=-4.4×10-6，單軸磁各向異性常數(shù)Ku=7×104Pa，飽和磁化強度Ms=1.7 A·m2。因此，可以通過加磁加載試驗，建立X80管線鋼的應力-磁通量模型。目前，國內(nèi)外對應力-磁通量應力檢測的模型以仿真試驗為主，本文在此基礎上，以X80管線鋼為試樣，研發(fā)基于應力-感應磁通量耦合模型的應力檢測方法。

2.2 磁力耦合應力檢測方法及試驗系統(tǒng)

本文研究的應力檢測系統(tǒng)主要包括勵磁裝置、磁感應測量裝置、加載試驗裝置和數(shù)據(jù)采集程序等4個部分。整個試驗測試系統(tǒng)如圖3所示。

拉伸試驗均采用Φ12.5 mm的試樣，根據(jù)X80管線鋼圓棒試樣，設計了勵磁線圈，采用直流電源給勵磁線圈通電，達到試樣技術磁化的要求。采用自主研發(fā)的感應線圈測量試樣的感應磁通量，采用TD8900磁通計進行磁通量的數(shù)據(jù)采集。勵磁線圈和磁感應測量線圈組成磁力耦合應力檢測試驗系統(tǒng)的探頭，本文采用套筒式磁性探頭，根據(jù)文獻[18]的方法確定勵磁線圈和測量線圈的參數(shù)，加載系統(tǒng)采用WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機，測量精度為0.5，測量范圍：0～1 000 kN。為減少溫度、濕度、外界磁場干擾條件等不同環(huán)境條件的影響，利用高磁導材料的低磁阻性引導磁場分路的原理進行磁場屏蔽，選擇在弱磁場下具有極高磁導率的鐵鎳系軟磁合金作為屏蔽材料，制作屏蔽箱進行屏磁。

圖3 應力檢測試驗系統(tǒng)Fig.3 Stress testing system

3 試驗結(jié)果分析

利用本文研發(fā)的磁力耦合應力檢測試驗系統(tǒng)對X80管線鋼進行應力檢測試驗研究，對表1所列的4組試驗試樣分別受拉、受壓時的磁力耦合試驗測試結(jié)果進行了分析。具體的試驗工況見表3。

表3 X80管線鋼試樣應力檢測試驗工況Tab.3 Test conditions for stress detection of X80 pipeline steel samples

3.1 受拉試樣的磁力耦合試驗結(jié)果

試驗時，首先制作1#和2#受拉試驗試樣，受拉試樣長度為400 mm，進行均勻拉伸，加荷速率為3.5 kN/s，實驗室室內(nèi)溫度控制在(23±5) ℃，不考慮溫度變化對試樣磁力學指標的影響。經(jīng)反復測試，對勵磁線圈施加直流電源電壓為12 V時，試驗試樣達到技術磁化飽和狀態(tài)。圖4給出了受拉試樣的磁通量-應力關系曲線。

從圖4可以看出：在技術磁化達到飽和后，測量線圈的感應磁通量為0.7 mWb，隨著受拉試樣拉應力逐漸增大，應力使磁疇結(jié)構發(fā)生磁化強度方向的轉(zhuǎn)變，磁感應強度增大，忽略試樣截面面積的變化，感應磁通量也隨著增大，在拉應力達到屈服強度前，基本上呈線性關系。在相同的條件下，1#和2#試件的感應磁通量-應力關系吻合較好，在應力為480 MPa時，測得的感應磁通量最大誤差為5.6%，可以滿足一般工程的技術要求，同時也說明本文根據(jù)磁力耦合理論研發(fā)的應力檢測系統(tǒng)測試受拉試件具有一定的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 受拉試件感應磁通量-應力關系Fig.4 Relationships between induced magnetic flux and stress of tension specimens

3.2 受壓試樣的磁力耦合試驗結(jié)果

試驗時，首先制作3#和4#受壓試驗試樣，受壓試樣長度為200 mm，進行均勻壓縮，加荷速率為2.5 kN/s，實驗室室內(nèi)溫度控制在(23±5)℃，不考慮溫度變化對試樣磁力學指標的影響，技術磁化的電源選用12 V直流電源。圖5分別給出了3#試件和4#試件的磁通量-應力關系曲線。

圖5 受壓試件感應磁通量-應力關系Fig.5 Relationships between induced magnetic flux and stress of compressed specimens

從圖5可以看出：為盡可能確保試件壓應力的均勻，選用的試件長度是受拉試件的1/2，加荷至試件應力為-200 MPa。在技術磁化達到飽和后，測量線圈的感應磁通量為0.7 mWb，在逐漸增大的壓應力作用下，試件磁疇結(jié)構產(chǎn)生沿壓應力垂直方向排列的趨勢，磁感應強度減小，忽略試件截面面積的變化，感應磁通量也隨之減小，但減小的速度明顯低于受拉試件，在線彈性范圍內(nèi)，基本上呈線性關系。在相同的條件下，3#和4#試件的感應磁通量-應力關系吻合較好，在壓應力為-140 MPa時，測得的感應磁通量最大誤差為5.5%，可以滿足一般工程的技術要求，和受拉試件測試結(jié)果的誤差接近。

在磁場作用下，管線鋼試樣的磁疇結(jié)構及運動方式發(fā)生了變化，拉應力使磁疇結(jié)構與磁化方向趨于一致，感應磁通量增大，壓應力使磁疇結(jié)構發(fā)生與磁化方向垂直的運動，感應磁通量減小。通過受壓和受拉試件的測試結(jié)果分析，說明本文的磁力耦合應力檢測系統(tǒng)在管線鋼線彈性范圍內(nèi)能夠有效地在線檢測受力試件的實時應力。

4 結(jié) 論

(1)當試件被技術磁化達到飽和狀態(tài)時，其磁感應強度和磁通量處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，對試件施加拉/壓均勻荷載，在拉/壓應力的作用下，磁疇結(jié)構的變化使試件的磁感應強度和感應磁通量發(fā)生近似線性的變化，應用這種線性關系可以實現(xiàn)對管線鋼構件的無損在線應力檢測。

(2)在試件被技術磁化至飽和狀態(tài)下，感應磁通量便于測量和分析，以感應磁通量為參量，建立的磁力耦合本構模型測量的最大誤差為5%左右，可以滿足工程要求。

(3)通過理論分析和試驗研究，建立不同技術等級管線鋼的磁力學本構模型，對實現(xiàn)油氣輸送管道無損在線應力檢測具有重要的理論意義和應用價值。