X52 管線鋼接觸損傷的磁記憶檢測試驗研究

師學良 堯宗偉 陳雪峰 劉貴江 楊曉惠 劉艷軍 牟燕

1中石油管道有限責任公司西部塔里木輸油氣分公司

2西南石油大學機電工程學院

3中國石油華北油田公司二連分公司

油氣管道是保障國民經(jīng)濟運行和社會發(fā)展的生命線。但是由于特殊的支撐設計，施工過程中的操作不當，運行過程中的占壓施工，地質(zhì)作用導致的石塊擠壓等，都可能造成管道表面產(chǎn)生壓應力集中的接觸損傷區(qū)，加之腐蝕、內(nèi)壓和疲勞損傷，極有可能發(fā)展成為對管道極具威脅的安全隱患[1-3]。

金屬磁記憶檢測是一種用于缺陷早期診斷的新型無損檢測方法，可以通過檢測鐵磁性材料表面的磁場信號變化來判斷損傷位置和程度[4-5]。金寶[6]研究了X52 管線鋼在不同拉伸載荷下發(fā)生塑性變形損傷時的磁記憶信號變化規(guī)律；李云飛等[7-8]研究了X80 管線鋼試件在穿孔、半穿孔、切槽等不同機械損傷情況下的磁記憶信號特征；劉文貞等[9]對預制缺口的X80 管線鋼進行了疲勞損傷的磁記憶檢測研究；樊建春等[10-11]采用磁記憶檢測技術開展了連續(xù)油管的刻傷試驗研究；姚凱等[12]研究了45#鋼在接觸試驗中的漏磁信號特征。上述研究結(jié)果表明：金屬磁記憶檢測技術能有效表征磁信號與應力和缺陷之間的關系，但是誘發(fā)磁場和損傷程度的定量關系還需要大量深入的研究工作。

綜合上述情況，本文對X52 管線鋼進行了不同載荷強度的接觸加載試驗。研究了接觸損傷對磁記憶信號的影響規(guī)律，并與單純的摩擦損傷進行了對比分析；初步建立了X52 管線鋼接觸損傷與磁記憶信號之間的對應關系，為磁記憶檢測技術在油氣管道無損定量評估領域的應用奠定了基礎。

1 試驗

1.1 試驗材料

選用油氣管道常用的X52 管線鋼為研究對象，其化學成分如表1 所示。材料的抗拉強度550 MPa，屈服強度402 MPa。根據(jù)GB/T 228.1—2010將其加工成標準板狀試樣，如圖1 所示。為減少測量路徑和提離值對金屬磁記憶信號的影響，在標準板狀試樣上布置限位塊和掃描線。

表1 X52 管線鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of X52 pipeline steel 質(zhì)量分數(shù)/%

圖1 試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen

1.2 試驗方案

為避免試樣在加工過程中造成的應力集中對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，采用TC-3 臺式退磁器對試件進行退磁處理。接觸加載試驗在CMT4304 萬能材料試驗機上進行，分別采用了球形和圓柱形兩種鐵磁性材料的壓頭。為了進行對比分析，采用銼刀打磨的方式，加工了缺陷尺寸相同的摩擦損傷試件。采用TSC-2M-8 應力集中檢測儀進行磁記憶信號檢測，測試方向和地磁南北極方向垂直，測試提離值保持2 mm 不變。試驗采用逐級加載的方式，在試件的幾何中心進行施載，達到預定值后，保載10 s再取下試件，進行磁記憶檢測。

2 試驗結(jié)果

2.1 載荷對磁記憶信號的影響

分別對加載至0、20、30、40、50 kN 的試件進行卸載狀態(tài)的磁記憶測量，其磁記憶信號的法向分量H(y)和切向分量H(x)沿掃描跡線的分布狀態(tài)如圖2 所示。由于試驗前對待測試件進行過退磁處理，所以F=0 時法向和切向分布曲線都較為平坦，其數(shù)值表明了測試環(huán)境的磁場情況。隨著載荷的增加，在試件接觸點Lx=0 mm 附近磁記憶信號都出現(xiàn)了明顯的變化：法向分量H(y)在沿x軸正負方向出現(xiàn)明顯的峰谷變化，曲線在接觸點處過零點，且載荷越大峰谷的差值也越大；切向分量H(x)在接觸點附近出現(xiàn)極值，載荷增加極值增大。實驗加載完畢后，試件在受壓部位出現(xiàn)一個凹槽，說明在壓應力集中部位出現(xiàn)了塑性變形，并且產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)損傷。

圖2 不同載荷時磁記憶信號分布曲線Fig.2 Distribution curves of magnetic memory signal under different loads

通過將磁場強度H對Lx求導，獲得了磁記憶信號沿掃描跡線方向的變化梯度，如圖3 所示。從圖3 可以看出，當材料在接觸區(qū)附近產(chǎn)生壓應力集中時，法向分量的梯度值dH(y)/dLx出現(xiàn)極值，同時切向分量的梯度值dH(x)/dLx出現(xiàn)峰-峰值變化并在接觸區(qū)中心過零點。

圖3 不同載荷時磁記憶信號梯度分布曲線Fig.3 Gradient distribution curves of magnetic memory signal under different loads

2.2 缺陷成因?qū)Υ庞洃浶盘柕挠绊?/h3>

鐵磁性材料常見的表面缺陷主要是由于擠壓、磨損或腐蝕等原因造成的。為了比較接觸應力造成的擠壓損傷和單純的表面摩擦損傷引起的磁記憶信號差異，分別采用圓柱形壓頭接觸加載和人工打磨的方式，加工出尺寸（約20 mm×0.8 mm×0.8 mm）相同的凹坑缺陷，并對其進行了磁記憶信號檢測。從圖4 可以看出，兩種缺陷引起的磁記憶信號變化特征一致，即在損傷處法向分量過零點，切向分量出現(xiàn)極值；其對應的梯度變化規(guī)律也相同（圖5）。雖然兩種缺陷的外觀尺寸大致相同，但是由接觸加載所造成的擠壓損傷對磁記憶信號的影響遠大于表面摩擦損傷。這一特征首先排除了測試探頭在缺陷處提離值的變化對磁記憶信號的影響；其次，有力地證明了由接觸加載造成的應力集中程度遠大于表面金屬損失而引起的應力分布變化，說明接觸損傷可能造成更大的危害。

3 法向磁記憶信號的參數(shù)化分析

圖4 不同缺陷成因的磁記憶信號分布曲線Fig.4 Distribution curves of magnetic memory signal for different defect causes

圖5 不同缺陷成因的磁記憶信號梯度分布曲線Fig.5 Gradient distribution curves of magnetic memory signal for different defect causes

圖6 特征參數(shù)分布圖Fig.6 Distribution map of characteristic parameter

根據(jù)接觸壓載作用下試樣磁記憶信號的變化規(guī)律可知，隨著接觸載荷的增大，法向分量H(y)的峰谷值差增大，切向分量H(x)的極值增加。為了進一步探索接觸損傷量化分析方法，在法向磁記憶信號的變化特征基礎上，分別定義峰-谷值差為參數(shù)，以評價接觸損傷的程度；峰-谷水平間距為，以評價接觸損傷范圍。隨接觸載荷F的變化趨勢如圖6 所示。隨著壓載的增加，試件在接觸區(qū)形成的凹坑深度增加，損傷程度增大，法向磁記憶信號峰-谷值差隨之線性增加；同時，試件的損傷影響范圍增大，法向磁記憶信號的水平間距也線性增加。研究結(jié)果表明，利用以上參數(shù)來定量分析接觸損傷的嚴重程度和影響范圍是可行的。

4 結(jié)論

（1）對X52 管線鋼的接觸損傷進行了磁記憶檢測試驗，結(jié)果表明磁記憶檢測信號能夠很好地表征材料損傷缺陷的尺寸、位置及受力信息，利用磁記憶檢測技術能夠?qū)υ谝酃艿肋M行損傷檢測。

（2）接觸損傷引起壓應力集中，其磁記憶信號的法向分量H(y)在接觸點過零點，梯度值出現(xiàn)極值；切向分量H(x)在接觸點出現(xiàn)極值，梯度值過零點。

（3）相同缺陷尺寸下，接觸加載造成的應力集中程度遠大于表面金屬損失引起的應力分布變化，其磁記憶信號的變化程度也更大。