X70鋼管道磁化及退磁特性試驗研究*

宋福霖 趙弘

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運工程學(xué)院)

0 引 言

據(jù)報道，2020年我國長輸油氣管網(wǎng)規(guī)模已達(dá)到16.9萬km，2025年我國管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24.0萬km[1]。隨著油氣管道長度的增加，管道更換的次數(shù)也隨之增多，然而在管道檢測及管道修復(fù)時會因為管道中剩磁的存在產(chǎn)生一系列問題。例如在新舊管道對接過程中，由于管道中存在剩磁，會出現(xiàn)電弧難以引燃、電弧燃燒過程穩(wěn)定性不強(qiáng)及電弧偏吹等現(xiàn)象，影響焊接效果，不僅沒有起到修補(bǔ)原有管道的作用，反而使原有管道的質(zhì)量下降[2]。除此之外，管道剩磁還會影響管道檢測時的檢測精度，并且使管道內(nèi)腐蝕速率加快，縮短管道壽命[3]。

當(dāng)前，國內(nèi)外解決剩磁的辦法主要是采取直流退磁法、交流退磁法及居里點熱退磁法。但基于油氣管道工況及長度限制，以上方法在實際操作中效果不盡如人意。G.S.SHELIKHOV[4]設(shè)計了一種永磁鐵退磁裝置，它可以實現(xiàn)油氣管道與退磁裝置之間的相對運動，為油氣管道退磁提供了一種較好的方法。中國石油大學(xué)(北京)分析了X52鋼及X80鋼的磁化特性和退磁特性，并得出這2種管線鋼的性能特點[5]。然而目前國內(nèi)外尚未有關(guān)于X70鋼管道的退磁研究，X70鋼與X52鋼及X80鋼的含碳量、含合金元素量以及屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等材料特性均有所不同，國內(nèi)外在X70鋼的退磁研究方面有所欠缺。為此，本文在X70鋼材料特性分析的基礎(chǔ)上，采用Maxwell軟件建立了X70 鋼磁化模型，分析了X70鋼管道的磁化特性，并基于響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計方法，研究了退磁率與磁感應(yīng)強(qiáng)度和退磁速度的關(guān)系。所得結(jié)論可為X70鋼管道的磁化及退磁研究提供依據(jù)。

1 X70鋼材料特性及磁滯曲線

1.1 X70鋼材料特性

X70鋼是一種管線鋼，管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼。X70管線鋼可以分為鐵素體-珠光體鋼、少珠光體鋼、針狀鐵素體鋼和超低碳貝氏體鋼。其中：超低碳貝氏體鋼碳當(dāng)量平均為0.293，冷裂敏感指數(shù)為0.112，是目前國內(nèi)外使用次數(shù)最多、性能最好的X70鋼。X70鋼由C、Si、Mn、P、S及合金元素組成，多以低碳或超低碳針狀鐵素體組織為特征，不僅具有良好的焊接性能、良好的韌性和較高的強(qiáng)度，同時具備低包辛格效應(yīng)和良好的抗HIC性能等。X70鋼可以極大程度地滿足工程質(zhì)量并且在酸性環(huán)境中具有很好的抗HIC性能，可以避免腐蝕[6]。

1.2 X70鋼磁滯曲線

磁滯曲線是用來解釋鐵磁物質(zhì)在磁化和退磁過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度關(guān)系的一條曲線。X70鋼磁滯曲線如圖1所示。在磁化開始時，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著外加磁場強(qiáng)度的增加而增大，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度增加至某一值時，X70鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和狀態(tài)，此時減小外加磁場強(qiáng)度，X70鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不按照原路返回，而是沿著另一條路徑減?。划?dāng)外加磁場強(qiáng)度減小到0時，X70鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不為0，而是存在一個剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度[7-8]。

圖1 X70鋼磁滯曲線

2 X70鋼磁化特性分析

2.1 磁化原理及原因

現(xiàn)代科學(xué)對磁化現(xiàn)象一般采用磁疇理論來解釋。鐵磁體材料中的鐵原子最外層有兩個電子，因電子自旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相互作用，在這自發(fā)的磁化過程中，為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，稱之為磁疇。在外界沒有磁場的情況下，鐵磁體材料中的各個磁疇之間相互不規(guī)則排列，導(dǎo)致各磁疇的磁化方向各異，產(chǎn)生的磁效應(yīng)也相互抵消，使得整個鐵磁體材料對外不顯示磁性。但將鐵磁體材料置于外磁場中時，鐵磁體材料中的自發(fā)磁化方向與外磁場方向小于90°的磁疇的體積隨著外加磁場的加大而加大，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外加磁場方向；而鐵磁體材料中的自發(fā)磁化方向與外磁場方向大于90°的磁疇體積則減小并接近外加磁場方向[9-11]，進(jìn)而使鐵磁體內(nèi)部大部分磁疇都與外加磁場方向相同，使鐵磁體具有了磁性。

油氣管道磁化的主要原因是：①管道內(nèi)部介質(zhì)在其內(nèi)流動，造成摩擦以及管道清洗工具對管道摩擦使管道磁化；②管道在工作和運輸過程中周圍會有磁場；③管道焊接時會發(fā)生磁化現(xiàn)象；④定期檢測管道時檢測工具上帶有磁鐵會磁化管道[9]。

2.2 基于Maxwell軟件的X70鋼磁化模型建立

2.2.1 X70鋼板磁化特性靜態(tài)仿真分析

使用Maxwell軟件建立X70鋼板永磁鐵磁化激勵實體模型，該模型由X70鋼、永磁鐵及軛鐵組成，如圖2所示。其中：永磁鐵采用NdFe35，軛鐵采用steel_1010，充磁方向為垂直鋼板方向，網(wǎng)格劃分采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法；模擬過程中迭代次數(shù)為20次，求解精度為0.1%。對此模型進(jìn)行仿真分析，當(dāng)永磁鐵磁場強(qiáng)度分別為10、20和30 kA/m時，X70鋼水平方向磁場靜態(tài)云圖如圖3所示。由圖3可以看出，X70鋼板經(jīng)磁化后，在外加磁場的作用下，材料的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，X70鋼板中間位置的磁疇相互抵消，剩磁較小，而在永磁鐵的正下方磁疇無法相互抵消，所以正下方的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。仿真云圖呈現(xiàn)出在永磁鐵垂直投影處以圓波形式向外擴(kuò)散，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱。磁化后X70鋼板磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值分別為0.62、1.24和1.87 mT，均出現(xiàn)在磁鐵的正下方。磁感應(yīng)強(qiáng)度最小值分別為0.21、0.42和0.63 mT，均出現(xiàn)在X70鋼板的中間位置。

圖2 X70鋼板永磁鐵磁化激勵實體模型

圖3 X70鋼板水平方向磁場靜態(tài)仿真云圖

當(dāng)永磁鐵磁場強(qiáng)度分別為10、20和30 kA/m時，X70鋼豎直方向磁場靜態(tài)云圖如圖4所示。由圖4可以看出：X70鋼板經(jīng)磁化后，在外加磁場的作用下，材料的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在永磁鐵正下方，X70鋼板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高；當(dāng)永磁鐵磁場強(qiáng)度分別為10、20和30 kA/m時， X70鋼板上磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值分別為0.62、1.24和1.87 mT。

圖4 X70鋼板豎直方向磁場靜態(tài)仿真云圖

仿真云圖依舊呈現(xiàn)出在永磁鐵垂直投影處以圓波形式向外擴(kuò)散，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱。

將X70鋼板在永磁鐵磁場強(qiáng)度為30 kA/m時的水平磁場靜態(tài)仿真云圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出，分析X70鋼板上如圖5所示的①、②、③3條實線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線。其中：實線①處于X70鋼板處；實線②處于X70鋼板處；實線③處于X70鋼板處。對導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制X70鋼板在實線①、②、③上的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，結(jié)果如圖6所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線呈現(xiàn)雙波峰式特點，3條曲線磁感應(yīng)強(qiáng)度的極大值分別為1.87、1.53和1.08 mT，3條曲線磁感應(yīng)強(qiáng)度的極大值處于X70鋼板的④、⑥2條虛線上；3條曲線磁感應(yīng)強(qiáng)度的極小值分別為0.54、0.48和0.43 mT，3條曲線磁感應(yīng)強(qiáng)度的極小值處于X70鋼板的虛線⑤上。磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線趨勢為先增后減再增再減，對應(yīng)于X70鋼板磁場靜態(tài)仿真云圖，X70鋼板中間位置的磁疇相互抵消，剩磁較小，而在永磁鐵的正下方磁疇無法相互抵消，正下方磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。

圖5 X70鋼板磁場靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)提取位置圖

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

2.2.2 X70鋼管道磁化特性靜態(tài)仿真分析

使用Maxwell軟件建立X70鋼管道永磁鐵磁化激勵實體模型，該模型由X70鋼管道、永磁鐵及軛鐵組成，如圖7所示。其中：永磁鐵采用NdFe35，軛鐵采用steel_1010，充磁方向為垂直管道橫截面方向;網(wǎng)格劃分采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，模擬過程中迭代次數(shù)為10次，求解精度為0.1%。對此模型進(jìn)行仿真分析，當(dāng)永磁鐵磁場強(qiáng)度分別為10、20和30 kA/m時，X70鋼管道二維磁場靜態(tài)仿真云圖如圖8所示。

圖7 X70鋼管道永磁鐵磁化激勵實體模型

圖8 X70鋼管道二維磁場靜態(tài)仿真云圖

由圖8可知：X70鋼管道經(jīng)磁化后，在外加磁場的作用下，管道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與X70鋼板的分布一致，仍為中間的剩磁較小，永磁鐵的正下方磁感應(yīng)強(qiáng)度最大且在永磁鐵正下方處以圓波形式向外擴(kuò)散，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱；當(dāng)永磁鐵的磁場強(qiáng)度為10 kA/m時，X70鋼管道上的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.54 mT；當(dāng)永磁鐵的磁場強(qiáng)度為20 kA/m時，X70鋼管道上的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.20 mT；當(dāng)永磁鐵的磁場強(qiáng)度為30 kA/m時，X70鋼管道上的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.84 mT。

僅改變X70鋼管道永磁鐵磁化激勵實體模型中永磁鐵與X70鋼管道接觸面面積時，X70鋼管道磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生明顯變化，如圖9所示。

圖9 X70鋼管道三維磁場靜態(tài)仿真云圖

圖9a中永磁鐵規(guī)格為60 mm×20 mm×10 mm，此時磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為1.84 mT，磁感應(yīng)強(qiáng)度最小值為0.54 mT。圖9b中永磁鐵規(guī)格為60 mm×30 mm×10 mm，此時磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為2.28 mT，磁感應(yīng)強(qiáng)度最小值為0.61 mT。永磁鐵與X70鋼管道接觸面面積從1 200 mm2變到1 800 mm2時，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值從1.84 mT變化至2.28 mT，變化幅度較大，磁感應(yīng)強(qiáng)度最小值從0.54 mT變化至0.61 mT，變化幅度較小。由此可知，當(dāng)改變永磁鐵與管道接觸面面積時，磁感應(yīng)強(qiáng)度會產(chǎn)生變化，此變化為正比例變化且數(shù)值越大變化幅度越大。

3 X70鋼退磁試驗及分析

3.1 退磁方法及原理

永磁鐵退磁裝置中每兩個相鄰的磁鐵環(huán)磁性相反，如圖10所示。圖10中，箭頭代表載體運行方向。第1次施加磁場后，管道中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生改變，此時的管道剩磁場強(qiáng)度記為B1。一段時間之后，施加反向磁場到該位置，此時剩磁場強(qiáng)度減小為B2。然后再次施加磁場，管道中的剩磁場強(qiáng)度減小，接近于0。通過該裝置與鐵磁材料之間的相對移動來逐步消除物質(zhì)中的磁性。永磁鐵退磁裝置效率高、操作簡便，是未來有效的退磁方式之一。永磁鐵退磁法退磁原理如圖11所示。

1—第1環(huán)磁鐵；2—第2環(huán)磁鐵；3—第3環(huán)磁鐵；4—管道；5—載體。

圖11 永磁鐵退磁原理圖

3.2 退磁試驗系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 試驗整體結(jié)構(gòu)

本次試驗對象為X70鋼板，基于永磁鐵退磁法可將G.S.SHELIKHOV[4]設(shè)計的磁鐵環(huán)退磁結(jié)構(gòu)簡化。X70鋼退磁試驗裝置示意圖如圖12所示，主要包括計算機(jī)控制界面、X70鋼、檢測/退磁裝置、速度控制裝置及導(dǎo)軌。計算機(jī)控制界面主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲；檢測裝置中包含霍耳元件，可以將磁場變化轉(zhuǎn)為電信號，導(dǎo)軌主要為檢測裝置行走提供支撐。

圖12 X70鋼退磁試驗裝置示意圖

3.2.2 退磁機(jī)構(gòu)模塊

退磁機(jī)構(gòu)主要包括永磁鐵和塑料板，將永磁鐵固定在塑料板上形成退磁結(jié)構(gòu)。

3.2.3 檢測機(jī)構(gòu)模塊

檢測機(jī)構(gòu)主要包括2個部分：磁場測量機(jī)構(gòu)和STM32單片機(jī)。測量機(jī)構(gòu)中包含4個通道，分別對應(yīng)4個霍爾元件，霍爾元件經(jīng)過X70鋼板采集數(shù)據(jù)。霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、安裝方便、功耗小及頻率高等優(yōu)點[12]。STM32單片機(jī)中配備數(shù)據(jù)采集卡，為檢測機(jī)構(gòu)提供霍爾元件采集的數(shù)據(jù)。

3.3 退磁試驗過程及結(jié)果分析

選取尺寸為245 mm×95 mm×28 mm的X70鋼作為試驗試樣，將X70鋼置于磁化裝置中磁化，待X70鋼完全磁化后，取出置于X70鋼磁化/退磁特征驗證試驗臺，采用檢測機(jī)構(gòu)模塊對X70鋼進(jìn)行退磁前磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測，檢測6次，取平均值為B3。X70鋼退磁前磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測完成后，采用退磁機(jī)構(gòu)模塊對X70鋼進(jìn)行退磁處理，退磁后仍采用檢測機(jī)構(gòu)模塊對X70鋼進(jìn)行退磁后磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測，檢測6次，取平均值為B4，退磁率η的計算公式如式(1)所示。改變退磁機(jī)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和退磁裝置的退磁速度，磁感應(yīng)強(qiáng)度從25 mT增至70 mT；退磁裝置的退磁速度從0.1 m/s增至0.6 m/s?？傆?6組試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

η=(B3-B4)/B3

(1)

由表1可知：當(dāng)退磁速度為0.1 m/s、磁感應(yīng)強(qiáng)度為25 mT時，退磁率最低為18.39%；隨著退磁速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，當(dāng)退磁速度為0.6 m/s、磁感應(yīng)強(qiáng)度為60 mT時，退磁率最高為67.60%。由表1數(shù)據(jù)可得：當(dāng)退磁速度為0.4～0.6 m/s、磁感應(yīng)強(qiáng)度為60～70 mT時，退磁率可達(dá)60%以上，達(dá)到了較好的退磁效果。

表1 退磁率與退磁速度及磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

3.4 響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計

為確保試驗結(jié)果真實有效，本文采取響應(yīng)面分析法對試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。響應(yīng)面法是通過一系列的試驗得到一定的數(shù)據(jù)，再根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的分布情況來選取合適的試驗點和恰當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，進(jìn)而來擬合變量與響應(yīng)值之間的關(guān)系，最后對回歸方程以及所得圖像進(jìn)行分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，以解決多變量問題[13]。

設(shè)退磁率為η、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和退磁速度v為變量，取磁感應(yīng)強(qiáng)度B從0～70 mT變化，取退磁速度v從0～0.6 m/s變化為約束條件，建立目標(biāo)函數(shù)，如式(2)所示。

(2)

通過中心試驗設(shè)計法進(jìn)行設(shè)計，記錄試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 中心試驗設(shè)計及結(jié)果

通過響應(yīng)面法得出退磁率η與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和退磁速度v之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，如式(3)所示，它們之間的三維關(guān)系云圖如圖13所示[14]。

η=-42.24+30.66v+2.86B-0.26vB+2.19v2-0.02B2

(3)

由圖13可以看出：退磁裝置的退磁率與磁感應(yīng)強(qiáng)度和退磁速度成正比關(guān)系，即磁感應(yīng)強(qiáng)度和退磁速度增加會使退磁裝置的退磁率增加；磁感應(yīng)強(qiáng)度對退磁率的影響要遠(yuǎn)大于退磁速度對退磁率的影響。當(dāng)處于圖13中藍(lán)色和綠色區(qū)域時，即退磁速度為0.1～0.2 m/s、磁感應(yīng)強(qiáng)度為25～45 mT時，退磁率較低，退磁效果有欠缺；當(dāng)處于圖13中紅色區(qū)域時，退磁率較佳，即當(dāng)退磁速度為0.5～0.6 m/s、磁感應(yīng)強(qiáng)度為60～70 mT時，可達(dá)到較好的退磁效果，此結(jié)果與試驗結(jié)果相近。

圖13 退磁率、磁感應(yīng)強(qiáng)度及退磁速度三維關(guān)系圖

檢驗此響應(yīng)面法優(yōu)化模型的學(xué)生化殘差分析正態(tài)概率分布圖及預(yù)測值與實際值對比圖，分別如圖14和圖15所示。由圖14和圖15可知，擬合結(jié)果與實際結(jié)果偏差較小，可相互印證[15]。

圖14 學(xué)生化殘差分析正態(tài)概率分布圖

圖15 預(yù)測值與實際值對比圖

綜上所述，當(dāng)退磁裝置的退磁速度為0.6 m/s、永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度為60 mT時，退磁效果最佳，退磁率可達(dá)67.60%

4 結(jié) 論

(1)由Maxwell軟件建立的模型仿真可知，X70鋼進(jìn)行靜態(tài)仿真時，其磁感應(yīng)強(qiáng)度在永磁鐵垂直投影處最強(qiáng)，在垂直投影處以圓波的形式向外擴(kuò)散，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸削弱。沿X70鋼長邊做磁感應(yīng)強(qiáng)度變化進(jìn)行趨勢分析，發(fā)現(xiàn)曲線呈現(xiàn)雙波峰式變化，對應(yīng)于X70鋼磁場靜態(tài)仿真云圖，X70鋼中間位置的磁疇相互抵消，剩磁較小，而在永磁鐵的正下方磁疇無法相互抵消，所以磁鐵正下方的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。

(2)利用響應(yīng)面法建立了X70鋼退磁優(yōu)化模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)永磁鐵退磁裝置的退磁率與永磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度和退磁裝置的退磁速度有關(guān)，且永磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響要遠(yuǎn)大于退磁裝置退磁速度的影響。

(3)通過響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計了X70鋼退磁因素，當(dāng)退磁裝置與X70鋼之間的相對運動速度為0.6 m/s、永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度為60 mT時，退磁效果最佳，退磁率可達(dá)67.60%。