高壓由壬缺陷檢測(cè)試驗(yàn)及力磁耦合模擬研究*

王彥然 樊建春 楊思齊 馬昕昱

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院)

0 引 言

在頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，高壓由壬件由于長(zhǎng)期承受高溫高壓及交變載荷的作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋[1]。由高壓管件損傷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，高壓由壬內(nèi)接頭螺紋齒根處為損傷裂紋的高發(fā)部位。由壬一旦產(chǎn)生疲勞裂紋、接頭滑移甚至斷裂事故，將會(huì)直接導(dǎo)致密封失效，壓裂液外漏，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)[2]。目前，對(duì)壓裂用高壓管匯損傷失效預(yù)警的相關(guān)研究多集中于彎頭和直管部位，如高壓彎頭拱背內(nèi)壁的沖蝕磨損研究[3]、管體損傷的聲發(fā)射試驗(yàn)研究[4-5]以及三通管件的疲勞斷裂分析等[6]，針對(duì)復(fù)雜連接件的相關(guān)討論較少。因此開(kāi)展由壬連接部位的損傷檢測(cè)研究具有重要意義。

目前，常規(guī)的連接部位檢測(cè)技術(shù)有磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)及超聲相控陣檢測(cè)等[7]，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中均具一定的局限性。磁粉檢測(cè)必須對(duì)檢測(cè)部位進(jìn)行磁化，操作較為繁瑣，管件清潔程度也會(huì)影響檢測(cè)效果[8]；由于高壓由壬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用超聲檢測(cè)到的缺陷回波信號(hào)難以準(zhǔn)確識(shí)別[9]，且各類檢測(cè)手段均需在管匯拆卸的狀態(tài)下進(jìn)行操作，無(wú)法滿足壓裂現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)周期連續(xù)作業(yè)的需求，難以推廣應(yīng)用。

金屬磁記憶效應(yīng)最早由俄羅斯專家A.A.DUBOV于1997年提出，將其定位為鐵磁性材料的應(yīng)力集中與疲勞損傷檢測(cè)新技術(shù)[10-11]。作為一種非接觸、高靈敏度的早期缺陷檢測(cè)手段，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[12]。該技術(shù)無(wú)需磁化即可檢測(cè)的特點(diǎn)，以及其高精度、體積小、具有一定壁厚穿透力的探頭，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)的無(wú)拆卸缺陷檢測(cè)。筆者開(kāi)展了高壓管匯的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并針對(duì)壓裂現(xiàn)場(chǎng)“易損傷、難檢測(cè)”的由壬管件進(jìn)行了磁記憶損傷檢測(cè)試驗(yàn)研究，由此提出并驗(yàn)證了在役高壓由壬件損傷檢測(cè)的新方法，對(duì)含缺陷高壓由壬件進(jìn)行了力磁耦合模擬分析，為通過(guò)磁記憶檢測(cè)實(shí)現(xiàn)高壓由壬損傷狀態(tài)的量化評(píng)定奠定了理論基礎(chǔ)。

1 高壓由壬件現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)選定測(cè)點(diǎn)X、Y、Z軸 3個(gè)方向上的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)時(shí)掌握在役高壓管匯各部位的振動(dòng)情況，其原理如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring system

1.2 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

高壓管匯在多排壓裂車(chē)之間集中排布，根據(jù)實(shí)際需求，使用由壬、三通等連接件對(duì)直管和彎頭等管件進(jìn)行組合連接。復(fù)雜的管匯排布對(duì)在線檢測(cè)的靈活性提出了很高要求[13]。本次振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)選在壓裂車(chē)柱塞泵液力端出口的彎管、三通和直管部位，共設(shè)置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)。在配液停工階段，將加速度傳感器采用磁吸附的方式安裝于各測(cè)點(diǎn)，設(shè)置采樣頻率500 Hz。圖2為由壬和三通測(cè)點(diǎn)的布設(shè)情況。壓裂施工作業(yè)一般會(huì)經(jīng)歷電橇驅(qū)動(dòng)、啟泵及排量平穩(wěn)3個(gè)階段，由于各階段的振動(dòng)劇烈程度不同，所以將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)按階段劃分。

圖2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.2 Field layout of vibration measuring points

1.3 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以由壬測(cè)點(diǎn)Y軸方向的振動(dòng)信號(hào)為例，在排量穩(wěn)定階段降噪后獲得的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)如圖3所示。

圖3 降噪后的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)Fig.3 Vibration time domain signal after noise reduction

為了明確各測(cè)點(diǎn)在不同振動(dòng)方向上的振動(dòng)情況，使用MATLAB軟件求解以上3個(gè)階段各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)均方根(RMS)值，結(jié)果如表1所示。

表1 管匯各測(cè)點(diǎn)各階段振動(dòng)均方根Table 1 RMS value of vibration of measuring points in manifold at different stages

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度值，繪制各階段各測(cè)點(diǎn)不同方向的加速度值分布，如圖4所示。

圖4 各階段不同測(cè)點(diǎn)加速度值分布Fig.4 Acceleration value distribution of different measuring points in different stages

通過(guò)對(duì)比分析，在電橇驅(qū)動(dòng)階段，各測(cè)點(diǎn)各方向的振動(dòng)程度普遍較低，到達(dá)啟泵階段后，振動(dòng)劇烈程度增加，各測(cè)點(diǎn)加速度值較上一階段有所增加。其中，由壬及彎頭處的增幅更為明顯，且振動(dòng)程度遠(yuǎn)大于三通和直管處。在排量穩(wěn)定階段，管匯各測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)程度達(dá)到最大值。從振動(dòng)加速度的均方根值可以看出，啟泵后的各測(cè)點(diǎn)中，由壬部位振動(dòng)程度最大，考慮振動(dòng)方向，由壬的軸向與徑向方向上的振動(dòng)程度最大，豎直方向的振動(dòng)程度較小。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步表明，由壬連接部位在壓裂過(guò)程中與彎頭部位一樣承受著較強(qiáng)的流固耦合沖擊，其產(chǎn)生的低頻振動(dòng)容易誘發(fā)由壬內(nèi)外接頭及內(nèi)部密封元件的疲勞磨損及裂紋產(chǎn)生，使由壬面臨嚴(yán)峻的失效風(fēng)險(xiǎn)。

2 高壓由壬件磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果明確了管匯體系的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的管匯損傷檢測(cè)提供了重點(diǎn)工作方向。針對(duì)由壬部位的失效情況，本文基于磁記憶原理搭建了適用于高壓由壬易損部位的檢測(cè)系統(tǒng)，并開(kāi)展了室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)在役由壬件的損傷預(yù)警，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備失效事故進(jìn)行防控，最終達(dá)到降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2.1 高壓管匯件缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)

為了量化材料的應(yīng)力分布及損傷程度，引入磁記憶信號(hào)梯度值和磁記憶信號(hào)峰峰值兩項(xiàng)參數(shù)。磁信號(hào)梯度值K表征選定檢測(cè)路徑上的應(yīng)力分布狀態(tài)，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：HN+n、HN表示在N+n、N點(diǎn)的信號(hào)值;LN+n、LN為兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

信號(hào)的梯度峰峰值σ表示當(dāng)檢測(cè)信號(hào)的梯度值發(fā)生驟變時(shí)，梯度最大值Kmax減去最小值Kmin所得的值，測(cè)點(diǎn)的峰峰值越大，則說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重。其表達(dá)式為：

σ=Kmax-Kmin

(2)

將管道內(nèi)部壓力達(dá)到管匯產(chǎn)生塑性變形臨界強(qiáng)度時(shí)的磁記憶信號(hào)的峰峰值σ作為評(píng)判高壓管匯失效的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果，建立105 MPa級(jí)?50.8 mm(2 in)規(guī)格壓裂管匯件抗內(nèi)壓強(qiáng)度與磁記憶信號(hào)峰峰值之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 抗內(nèi)壓強(qiáng)度與信號(hào)峰峰值的關(guān)系曲線Fig.5 Internal pressure strength vs.peak-to-peak value of signal

在保證105 MPa的安全抗內(nèi)壓強(qiáng)度下，含縱向槽形裂紋額度管匯具有最小的梯度峰峰值，取其值0.326 V/mm為此規(guī)格管匯件的損傷臨界梯度峰峰值。

2.2 金屬磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)

金屬磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為3個(gè)模塊：主體為磁記憶檢測(cè)模塊，其次是接收磁記憶信號(hào)并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換與輸出的信號(hào)采集模塊，最后是信號(hào)處理模塊。由此構(gòu)成了如圖6所示的磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)。裝置設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了壓裂現(xiàn)場(chǎng)工況及檢測(cè)難點(diǎn)，制作了可自由彎折的手持式檢測(cè)環(huán)，容易實(shí)現(xiàn)狹小區(qū)域的檢測(cè)，滿足由壬連接部位的掃查需求，能夠探測(cè)出復(fù)雜管匯件內(nèi)部的細(xì)小裂紋和腐蝕坑等早期缺陷。

圖6 磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Magnetic memory detection system

2.3 高壓由壬磁記憶檢測(cè)室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)

為了測(cè)試自行設(shè)計(jì)的磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)在高壓由壬件缺陷檢測(cè)中的檢測(cè)效果，驗(yàn)證該系統(tǒng)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)管件檢測(cè)當(dāng)中的適用性，現(xiàn)利用三維檢測(cè)平臺(tái)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)研究。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，對(duì)?50.8 mm(2 in)規(guī)格、fig1502型的由壬件進(jìn)行刻傷，刻傷位置位于由壬內(nèi)接頭齒根末端，并將管件置于三維檢測(cè)平臺(tái)上，調(diào)整探頭位置，保證合適的提離值，利用電機(jī)帶動(dòng)磁記憶探頭沿管件軸向進(jìn)行勻速掃查，檢測(cè)過(guò)程如圖7所示。同時(shí)選取完好由壬件的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。

圖7 室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程Fig.7 Laboratory test detection process

選取覆蓋缺陷位置處的單通道檢測(cè)結(jié)果，對(duì)被采集信號(hào)進(jìn)行梯度處理。刻傷由壬件與完好由壬件相同位置處的磁信號(hào)梯度值檢測(cè)結(jié)果分別如圖8a和圖8b所示。

圖8 有、無(wú)缺陷檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of detection results with/without defects

對(duì)比2種情況下的檢測(cè)結(jié)果可知：探頭在保持一定提離值的情況下，在靠近缺陷位置處的檢測(cè)結(jié)果存在明顯的信號(hào)突變；在相同檢測(cè)路徑下，完好由壬件的磁信號(hào)梯度值曲線則比較平緩，幾乎無(wú)明顯信號(hào)突變。由此可驗(yàn)證磁記憶探頭能夠較好地反映出位于由壬內(nèi)接頭齒根末端處的缺陷。

2.4 高壓由壬磁記憶檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)

在壓裂作業(yè)停工配液期間，對(duì)頁(yè)巖氣壓裂現(xiàn)場(chǎng)的fig1502型由壬件進(jìn)行磁記憶檢測(cè)，檢測(cè)部位為疲勞裂紋高發(fā)的由壬內(nèi)接頭，檢測(cè)裝置由遠(yuǎn)離由壬緊帽端向靠近端掃描，至端面結(jié)束，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行梯度分析及可視化云圖分析處理。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了由壬件2處帶缺陷，其磁記憶檢測(cè)結(jié)果及實(shí)物如圖9和圖10所示。由圖9和圖10的試驗(yàn)結(jié)果可知：2個(gè)由壬在內(nèi)接頭端面附近均存在應(yīng)力集中區(qū)域，前者的磁記憶梯度峰峰值為0.174 V/mm，屬于安全峰峰值范圍；后者的磁記憶梯度峰峰值為0.303 V/mm，十分接近臨界梯度峰峰值(0.326 N/mm)，需要在未來(lái)壓裂周期的配液階段加強(qiáng)檢測(cè)頻率。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果1Fig.9 Field detection result 1

圖10 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果2Fig.10 Field detection result 2

由現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及振動(dòng)檢測(cè)分析結(jié)果可知，由壬處受到的振動(dòng)影響較為強(qiáng)烈，且由于加工原因，內(nèi)接頭根槽端面極易因壁厚減薄而產(chǎn)生裂紋。因此，現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)中，應(yīng)提高對(duì)高壓由壬的檢測(cè)頻率，以便在失效前及時(shí)更換，減少事故的發(fā)生。

3 高壓由壬力磁耦合模擬分析研究

作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、失效風(fēng)險(xiǎn)高的管匯關(guān)鍵連接部位，高壓由壬的相關(guān)力磁學(xué)模擬研究資料較為匱乏。鑒于此，筆者基于COMSOL軟件建立fig1502型高壓由壬模型，并進(jìn)行力磁耦合模擬研究，求解在役高壓由壬件的應(yīng)力分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，分析承受內(nèi)壓條件下，由壬件缺陷部位對(duì)附近表面空間磁信號(hào)的影響。

3.1 應(yīng)力-磁導(dǎo)率之間的關(guān)系

當(dāng)鐵磁性構(gòu)件上存在應(yīng)力時(shí)，構(gòu)件會(huì)對(duì)外顯示磁各向異性，各項(xiàng)磁學(xué)參數(shù)值會(huì)隨外力發(fā)生改變[14]。為了探究在地磁場(chǎng)作用下高壓由壬材料35CrMo所受外部應(yīng)力和磁場(chǎng)之間的線性關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的靜載拉伸試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)由壬材料進(jìn)行軸向拉伸，并利用磁阻探頭測(cè)量材料在受力過(guò)程中的磁場(chǎng)變化，結(jié)果如圖11所示。

圖11 拉伸應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.11 Tensile stress vs.magnetic induction intensity

由圖11可知，由壬材料在地磁場(chǎng)環(huán)境下受外部應(yīng)力作用時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度值隨應(yīng)力的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。擬合可得磁感應(yīng)強(qiáng)度B和應(yīng)力σ之間的關(guān)系式為：

B=3.874×10-4σ+1.247

(3)

建立鐵磁特性和應(yīng)力的耦合關(guān)系模型，可以得到更好的力磁耦合模擬結(jié)果。本節(jié)從磁導(dǎo)率特性入手，基于能量守恒定律建立了無(wú)外磁場(chǎng)激勵(lì)下的鐵磁性材料應(yīng)力-磁導(dǎo)率關(guān)系式[15]：

(4)

式中：Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，A/m；λm為飽和磁致伸縮系數(shù)，10-6；μ0為材料初始未受外力條件下的磁導(dǎo)率，H/m；μσ表示應(yīng)力值為σ時(shí)構(gòu)件的磁導(dǎo)率，H/m。

3.2 地磁場(chǎng)中的高壓由壬模型

高壓由壬件由由壬外接頭、由壬內(nèi)接頭、密封圈及由壬緊帽組成。本次的模擬對(duì)象為壓裂現(xiàn)場(chǎng)常用的fig1502型由壬，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。根據(jù)磁記憶檢測(cè)機(jī)理和應(yīng)力-磁導(dǎo)率關(guān)系式，選擇軟件中的固體力學(xué)場(chǎng)和靜磁場(chǎng)進(jìn)行耦合；由于要分析含缺陷狀態(tài)下的力磁場(chǎng)分布情況，所以建模時(shí)在由壬內(nèi)接頭模型螺紋齒根處預(yù)置了不同深度的缺陷。按照表2中的參數(shù)設(shè)置高壓由壬材料的固體力學(xué)及磁學(xué)參數(shù)。本次研究過(guò)程分為2步：首先是力學(xué)研究，對(duì)比不同載荷情況下，含缺陷與不含缺陷由壬件的應(yīng)力分布情況；其次是根據(jù)應(yīng)力-磁導(dǎo)率關(guān)系式對(duì)試件的磁導(dǎo)率進(jìn)行迭代求解，得到不同內(nèi)壓下由壬試件內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。

1—由壬外接頭；2—由壬緊帽；3—由壬內(nèi)接頭；4—密封圈圖12 由壬結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Union structure

表2 高壓由壬材料參數(shù)Table 2 High-pressure union material parameters

在此研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)磁記憶損傷檢測(cè)的需求創(chuàng)建分析路徑，對(duì)路徑下由壬件的力磁學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果可為磁記憶手段檢測(cè)高壓由壬缺陷提供理論參考。

3.3 高壓由壬力磁耦合模擬結(jié)果

3.3.1 不同載荷下的應(yīng)力分布

由于現(xiàn)場(chǎng)泄壓狀態(tài)的管匯內(nèi)壓一般為30 MPa，壓裂階段的管匯內(nèi)壓通常處于70～90 MPa之間，而目前管匯的最大承壓極限為140 MPa，所以分別對(duì)無(wú)缺陷管匯和含缺陷管匯依次施加30、90和140 MPa的內(nèi)壓，在由壬內(nèi)接頭末端齒根部位預(yù)置了深5 mm、寬2 mm的裂紋缺陷。選取高壓由壬模型的剖面，分析其應(yīng)力分布情況。

圖13為不同內(nèi)壓且有、無(wú)缺陷情況下高壓由壬的應(yīng)力分布對(duì)比云圖。在內(nèi)壓為30 MPa、無(wú)缺陷情況下，由壬件的應(yīng)力集中部位分別位于外接頭端面與由壬緊帽的接觸端，以及由壬內(nèi)接頭與由壬緊帽接觸端的齒根部位，在尖點(diǎn)處達(dá)到最大值。兩處的應(yīng)力最大值分別為138和121 MPa；而相同內(nèi)壓下，含缺陷的高壓由壬應(yīng)力集中部位在由壬緊帽與由壬外接頭的接觸端以及位于由壬內(nèi)接頭齒根部位的缺陷處，2處的應(yīng)力最大值分別為138以及261 MPa。

圖13 不同內(nèi)壓且有、無(wú)缺陷情況下高壓由壬的應(yīng)力分布云圖Fig.13 Stress distribution cloud chart of high-pressure union with/without defects under different internal pressures

內(nèi)壓升至90 MPa后，有、無(wú)缺陷的高壓由壬應(yīng)力集中部位與內(nèi)壓30 MPa時(shí)的兩處位置相同。無(wú)缺陷由壬的應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力最大值分別為413和344 MPa；含缺陷由壬的應(yīng)力最大值分別為435以及783 MPa。

內(nèi)壓升至最大工作壓力140 MPa后，有、無(wú)缺陷的高壓由壬的應(yīng)力集中部位與前2階段相同，且應(yīng)力集中區(qū)域明顯擴(kuò)大，無(wú)缺陷情況下2處應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力最大值分別為689和528 MPa；含缺陷高壓由壬則為723和1 220 MPa。

由表2可知，當(dāng)內(nèi)壓p1=90 MPa時(shí)，由壬內(nèi)接頭齒根5 mm深度缺陷部位周?chē)膽?yīng)力值已經(jīng)逼近材料的屈服極限835 MPa，壓裂作業(yè)時(shí)，內(nèi)壓若繼續(xù)增加，則會(huì)加速裂紋擴(kuò)展速度，導(dǎo)致由壬內(nèi)接頭末端發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。當(dāng)內(nèi)壓p1增大至140 MPa時(shí)，由壬緊帽與由壬內(nèi)、外接頭的2處接觸端的最大應(yīng)力值大幅增加，疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)增大；缺陷部位的應(yīng)力已遠(yuǎn)超材料的屈服極限，易引發(fā)由壬接頭斷裂事故。

3.3.2 不同載荷下的磁信號(hào)分布

在弱磁環(huán)境下，外載荷變化時(shí)，材料內(nèi)部磁信號(hào)的變化較為細(xì)微[16]。為了給由壬的磁記憶檢測(cè)提供理論量化依據(jù)，依照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中的常規(guī)掃描路徑，選取由壬內(nèi)接頭端面下方、距離管壁提離值為6 mm、長(zhǎng)10 mm的線段進(jìn)行分析。

在無(wú)缺陷條件和在30、90和140 MPa這3個(gè)典型工作內(nèi)壓下，檢測(cè)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況如圖14所示。由圖14可知：3種不同內(nèi)壓下的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)變化趨勢(shì)相同；隨著內(nèi)壓增大，由壬件所承受的應(yīng)力增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之呈遞增趨勢(shì)；內(nèi)壓從30 MPa增加到90 MPa，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量在0.19×10-4T左右；內(nèi)壓從90 MPa增加至140 MPa時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量在0.24×10-4T左右。

圖14 不同內(nèi)壓下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.14 Magnetic induction intensity distribution under different internal pressures

繪制檢測(cè)路徑上選定點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與內(nèi)壓之間的關(guān)系曲線，如圖15所示。由圖15可知，隨著內(nèi)壓的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，二者之間具有良好的線性關(guān)系，其變化規(guī)律符合公式：

圖15 內(nèi)壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.15 Internal pressure vs magnetic induction intensity

B=0.008 69pi+3.692 72

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3.3.3 不同缺陷深度下的磁信號(hào)分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)由壬的開(kāi)裂情況，在由壬內(nèi)接頭末端齒根處預(yù)置1處寬1 mm、深5 mm的裂紋缺陷，對(duì)比研究有缺陷與無(wú)缺陷由壬件的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，在內(nèi)壓為90 MPa的情況下，研究結(jié)果如圖16所示。

圖16 有無(wú)缺陷由壬件的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.16 Magnetic induction intensity comparison curve of union with/without defects

由圖16可知，不論是否存在缺陷，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)均一致。有缺陷由壬件的磁信號(hào)曲線在靠近缺陷處有較為明顯的磁信號(hào)畸變。這是由于裂紋尖端應(yīng)力集中處產(chǎn)生的漏磁信號(hào)導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生疊加，從而引起了磁感應(yīng)強(qiáng)度值的增大。該異常幅值變化量在0.2×10-4T左右。

為了確定裂紋深度對(duì)其附近磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，在內(nèi)壓為90 MPa時(shí)，設(shè)定裂紋深度在1～5 mm之間，取缺陷附近任意一點(diǎn)進(jìn)行研究，該點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨裂紋深度的變化情況如圖17所示。

圖17 裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.17 Crack depth vs.magnetic induction intensity

從圖17可知，隨著裂紋深度的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)呈增大趨勢(shì)。裂紋深度t與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的變化規(guī)律符合公式：

B=1.628 4t+5.621 55

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4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，對(duì)在役高壓管匯系統(tǒng)開(kāi)展了振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，明確了由壬部位在壓裂工況下的振動(dòng)情況，同時(shí)指出由壬是在役高壓管匯的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)基于磁記憶檢測(cè)手段開(kāi)展了室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)由壬件損傷檢測(cè)試驗(yàn)，并根據(jù)高壓管匯件缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了初步評(píng)判。

(3)對(duì)高壓由壬進(jìn)行了力磁耦合仿真分析，明確了不同內(nèi)壓下,有、無(wú)缺陷由壬件應(yīng)力的分布情況；研究了內(nèi)壓及缺陷深度對(duì)由壬件力磁分布的影響，并建立了內(nèi)壓-磁感應(yīng)強(qiáng)度、缺陷深度-磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性關(guān)系。模擬結(jié)果為在役由壬件的磁記憶損傷檢測(cè)定量分析與安全評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。

(4)對(duì)不同管徑及承壓能力的由壬件，其所受內(nèi)壓與缺陷類型、缺陷深度的定量關(guān)系還有待繼續(xù)研究。