基于弱磁效應(yīng)的管道應(yīng)力檢測技術(shù)

呂 晶，閆 萍，曹恩銘，王國慶

（1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

油氣管道是國家能源重要的運(yùn)輸方式，其分布范圍廣，跨度大，輸送能力強(qiáng)，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中具有重要地位[1-2]。油氣管道的實(shí)際工況環(huán)境具有壓力大、易腐蝕、介質(zhì)易燃爆等特點(diǎn)，對管道的安全維護(hù)提出了較高要求。管道在服役一定時期后，管體逐漸形成腐蝕、疲勞、裂紋等缺陷，并且隨著管道服役時間的延長，管道出現(xiàn)老化問題，這些因素給管道的安全運(yùn)行帶來了巨大風(fēng)險，甚至引起破壞事故[3-4]。管道材料均具有良好的塑性和韌性，其破壞事故的發(fā)生主要由管體局部應(yīng)力集中導(dǎo)致屈服變形引起[5-6]。因此，檢測管體的局部應(yīng)力集中，可有效預(yù)判管道破壞事故的發(fā)生，對管道的安全運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。

管道檢測的常規(guī)手段有超聲、射線、漏磁檢測等傳統(tǒng)技術(shù)，主要檢測管體存在的體積缺陷，無法檢測管道的應(yīng)力狀態(tài)[7-9]。弱磁檢測以應(yīng)力的弱磁效應(yīng)為基礎(chǔ)，在非勵磁條件（地磁場環(huán)境）下，檢測鐵磁管道表面在應(yīng)力作用下的弱磁場信號分布及變化特征，以此來判斷管道應(yīng)力集中狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道應(yīng)力狀態(tài)的在線檢測[10-12]。該方法無需對管道進(jìn)行勵磁，具有設(shè)備簡單、方便快速、可進(jìn)行大范圍檢測等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。本文對應(yīng)力的弱磁效應(yīng)產(chǎn)生過程進(jìn)行分析，設(shè)計制作弱磁場檢測傳感器及弱磁應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取典型的管道應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，結(jié)合其他應(yīng)力檢測技術(shù)，對弱磁應(yīng)力檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究弱磁檢測技術(shù)的有效性，以期為弱磁應(yīng)力檢測技術(shù)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 力磁效應(yīng)分析

鐵磁材料具有磁各向異性，在外部磁場作用下，鐵磁體內(nèi)部存在磁各向異性能EK和外磁場能EH，其總能量E的表達(dá)式見式（1）。

式中，K1為磁各向異性常數(shù)；θ為磁矩受外場作用轉(zhuǎn)動的角度，（°）；θ0為易磁化方向與外場方向的夾角，（°）；μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m；MS為自發(fā)磁化強(qiáng)度，A/m；H為外加磁場強(qiáng)度，A/m。

按能量平衡理論，總能量應(yīng)相互平衡并趨于極小，即：

在地磁環(huán)境下，外部磁場很微弱，因而磁矩轉(zhuǎn)動的角度θ很小，故式（2）可簡化為：

磁化強(qiáng)度M為：

則可得材料磁化率χ為：

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當(dāng)鐵磁體中存在應(yīng)力時，會產(chǎn)生與磁各向異性類似的應(yīng)力各向異性，從而使鐵磁體的磁各向異性常數(shù)Keff增大。由式（5）可知，應(yīng)力作用使材料磁化率發(fā)生改變，導(dǎo)致材料磁特性變化，宏觀表現(xiàn)為局部磁化場強(qiáng)度的改變，產(chǎn)生表面弱磁信號。如果應(yīng)力導(dǎo)致材料塑性變形，內(nèi)部位錯增加，其作用效果與應(yīng)力相似，對磁化過程產(chǎn)生阻礙作用，此時可用等效各向異性常數(shù)Keff代替K1：

式中，C為常數(shù)；ρ為位錯密度，1/cm2；G為彈性模量，MPa；b為柏氏矢量，m。

由式（6）可知，當(dāng)材料在應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形時，表面弱磁信號將產(chǎn)生更為劇烈的波動。

2 力磁效應(yīng)仿真

實(shí)際管道材料為X52鋼，屬于鐵和碳兩種元素組成的合金，采用基于金屬能帶理論的Materials Study軟件對該材料的力磁效應(yīng)過程進(jìn)行仿真。建立鐵合金的三維仿真模型，如圖1所示。模型結(jié)構(gòu)為立方結(jié)構(gòu)，包含8個鐵原子和1個碳原子，構(gòu)成鐵合金體系。

圖1 鐵合金的三維仿真模型

實(shí)際導(dǎo)致管道破壞的外力均為拉應(yīng)力，因此對模型施加單向拉應(yīng)力，計算不同外力作用下體系的電子態(tài)分布密度變化。根據(jù)鐵磁體磁性理論，體系電子分布變化會導(dǎo)致體系磁性的變化，兩者間具有線性對應(yīng)關(guān)系，因而通過態(tài)密度變化可判斷體系在外力作用下的磁信號變化特征[15]。仿真計算了不同拉應(yīng)力下體系的電子分布狀態(tài)密度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在外部拉應(yīng)力作用下，鐵合金體系的電子分布狀態(tài)發(fā)生改變。在能量為0的平衡狀態(tài)下，體系最大的電子分布狀態(tài)密度隨著外部拉應(yīng)力的不斷增大而逐漸減小，電子密度的減小導(dǎo)致微觀態(tài)下體系的相互關(guān)聯(lián)作用減弱，磁矩減小，宏觀上變現(xiàn)為鐵合金體系的磁性發(fā)生變化，導(dǎo)致在拉應(yīng)力部位鐵磁體磁場信號的波動變化，形成應(yīng)力的磁效應(yīng)現(xiàn)象。磁矩變化導(dǎo)致的體系磁性變化較微弱，因而形成的磁效應(yīng)也較微弱。通過檢測鐵磁材料表面的弱磁場信號，可實(shí)現(xiàn)對其受力狀態(tài)的檢測。

圖2 不同拉應(yīng)力下體系的電子分布密度

3 實(shí)驗(yàn)部分

通過以上分析可知，應(yīng)力的磁效應(yīng)在地磁環(huán)境下才能表現(xiàn)出來，即其磁場變化很微弱，因而通過專門的弱磁傳感器才能檢測到。本文首先設(shè)計了高精度弱磁傳感器，在此基礎(chǔ)上搭建弱磁檢測系統(tǒng)，并對實(shí)驗(yàn)管道的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了檢測。

3.1 弱磁傳感器的設(shè)計

圖3 弱磁傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖3所示，差動線圈上下呈對稱結(jié)構(gòu)，可有效消除測量過程中干擾信號的影響，降低噪聲，提高傳感器微弱磁場分辨力。考慮傳感器磁芯在測量過程中的聚磁效應(yīng)，對于磁場H0，傳感器的測量輸出信號U(t)為：

式中，N為線圈的匝數(shù)；S為傳感器磁芯的面積，m2；g為聚磁系數(shù)；d為磁芯間距，m；c1為形狀常數(shù)；μ為材料磁導(dǎo)率，H/m；ω為線圈激勵頻率，Hz；t為時間，s；i為輸入電流，A。

3.2 弱磁應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

以弱磁傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計制作了弱磁應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括4個弱磁傳感器、信號處理卡及信號采集存儲軟件等部分。傳感器用于采集被測對象表面弱磁場，信號處理卡用于對弱磁信號進(jìn)行實(shí)時處理，信號采集存儲軟件對處理后的弱磁信號進(jìn)行顯示及存儲。弱磁應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 弱磁應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)對象為φ273輸油管道，管道材質(zhì)為X52，壁厚為5.6 mm。選取3處典型的應(yīng)力集中特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括應(yīng)力變形點(diǎn)、外壁腐蝕點(diǎn)和內(nèi)壁腐蝕點(diǎn)，其編號分別為1#、2#和3#。應(yīng)力集中特征點(diǎn)信息見表1。

表1 應(yīng)力集中特征點(diǎn)信息

具有不同特征點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)管道如圖5所示。由圖5可知，具有1#特征點(diǎn)的管道（1#管道，下同）外部可見微小應(yīng)力變形；2#管道肉眼可見外壁腐蝕，通過測深規(guī)檢測腐蝕點(diǎn)，最深處深度為1.01 mm；3#管道為內(nèi)壁腐蝕，利用超聲測厚儀檢測，其內(nèi)壁腐蝕深度為0.80 mm。

圖5 具有不同特征點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)管道

利用弱磁應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對特征點(diǎn)的弱磁信號進(jìn)行檢測，對信號特征進(jìn)行分析；利用超聲應(yīng)力和矯頑力應(yīng)力檢測方法對管道應(yīng)力集中狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證；研究弱磁應(yīng)力檢測技術(shù)的有效性及適用性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 弱磁應(yīng)力檢測結(jié)果

4個弱磁檢測傳感器并列放置，從特征點(diǎn)左側(cè)開始測量，檢測距離為1 800 mm，檢測的磁場信號為徑向磁場強(qiáng)度（Hpx）。1#—3#特征點(diǎn)弱磁應(yīng)力檢測結(jié)果如圖6所示。其中，對2#特征點(diǎn)的檢測受限于實(shí)際管道長度，檢測范圍為500 mm。

圖6 1#—3#特征點(diǎn)的弱磁檢測信號

從圖6（a）可以看出，在1#特征點(diǎn)位置，4個傳感器檢測到的磁信號變化特征基本一致，都發(fā)生明顯的變化，形成局部較大的磁場峰，表現(xiàn)出應(yīng)力集中的信號特征。由圖6（b）可以看出，在2#特征點(diǎn)位置，弱磁場信號存在明顯的劇烈波動，形成較大的峰值，表現(xiàn)出應(yīng)力集中的信號變化特征。由圖6（c）可以看出，3#特征點(diǎn)位置存在磁場信號強(qiáng)烈波動，磁場峰峰值較大，磁場變化梯度也較大，表現(xiàn)出了應(yīng)力集中的信號特征。

4.2 超聲應(yīng)力檢測

利用超聲應(yīng)力檢測設(shè)備，在特征點(diǎn)位置沿管道周向按時鐘鐘點(diǎn)位置測量一周，共12個點(diǎn)，檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 1#—3#特征點(diǎn)超聲應(yīng)力檢測結(jié)果

從圖7（a）可以看出，在約4鐘點(diǎn)位置（對應(yīng)1#特征點(diǎn)）存在應(yīng)力極大值且應(yīng)力較大，表明該位置存在一定程度的應(yīng)力集中。由7（b）可以看出，2#特征點(diǎn)在6鐘點(diǎn)附近出現(xiàn)應(yīng)力極大值且應(yīng)力較大，表明該區(qū)域存在一定程度的應(yīng)力集中。由圖7（c）可以看出，3#特征點(diǎn)超聲應(yīng)力檢測在7鐘點(diǎn)附近出現(xiàn)應(yīng)力極大值且應(yīng)力較大，表明在該區(qū)域存在一定程度的應(yīng)力集中。

4.3 矯頑力應(yīng)力檢測

利用MC-WF-04型烏克蘭進(jìn)口矯頑力檢測儀，對特征信號點(diǎn)位置的矯頑力大小及其分布情況進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證該位置處的應(yīng)力集中情況。檢測區(qū)域?yàn)橐蕴卣鼽c(diǎn)為中心，沿軸向前后各45 cm范圍，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 1#—3#特征點(diǎn)矯頑力檢測結(jié)果

從圖8（a）可以看出，在約50 cm的位置（對應(yīng)1#特征點(diǎn)）存在局部矯頑力極大值，說明該處存在較大應(yīng)力集中。從圖8（b）及（c）可以看出，2#特征點(diǎn)區(qū)域及3#特征點(diǎn)區(qū)域存在矯頑力極大值，表明在該區(qū)域存在一定程度的應(yīng)力集中。

利用超聲波測厚儀，對1#特征點(diǎn)進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯壁厚減薄情況，說明該處未發(fā)生腐蝕。

5 結(jié) 論

（1）應(yīng)力導(dǎo)致鐵磁材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而引起鐵磁體磁化率發(fā)生變化，這是應(yīng)力弱磁信號產(chǎn)生的原因。

（2）采用對稱結(jié)構(gòu)的差動線圈弱磁傳感器可以有效檢測管道表面微弱磁場信號，適用于工程上應(yīng)力弱磁信號的檢測。

（3）對各種原因引起的管道應(yīng)力集中狀態(tài)，弱磁應(yīng)力檢測技術(shù)均具有較好的檢測能力，超聲應(yīng)力和矯頑力檢測結(jié)果驗(yàn)證了利用弱磁效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力檢測的有效性。