基于多磁參數(shù)法的鐵磁性材料管道疲勞檢測(cè)應(yīng)用

竺國(guó)榮 嚴(yán)瑞霖 王 杜 錢盛杰 董 洋 譚繼東

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

工程應(yīng)用上急需對(duì)鐵磁性材料的疲勞狀態(tài)全生命周期進(jìn)行無損檢測(cè)和評(píng)估［1～3］，特別是針對(duì)疲勞裂紋形成前和形成初期的檢測(cè)技術(shù)，采用多磁參數(shù)法開展理論研究和技術(shù)研發(fā)，解決工程問題。 目前對(duì)于疲勞過程中的磁巴克豪森噪聲（MBN） 信號(hào)變化的研究主要集中在位錯(cuò)密度的增加、滑移帶的形成及裂紋的萌生等微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及缺陷數(shù)目、疇壁與MBN峰值電壓的相互作用等方面［4～6］。

鐵磁性材料在循環(huán)載荷的作用下，MBN信號(hào)變化顯著，為了探究循環(huán)載荷和單向載荷對(duì)MBN信號(hào)影響的區(qū)別，2004年英國(guó)的MOORTHY V研究了En36鋼在超限應(yīng)力（最大達(dá)1 700 MPa）循環(huán)作用下的MBN信號(hào)特性， 指出與單向載荷相比，高應(yīng)力下的循環(huán)載荷會(huì)增加材料的位錯(cuò)密度，會(huì)使MBN信號(hào)峰值減小，加速材料疲勞。 利用MBN信號(hào)與循環(huán)周次的關(guān)系，可以對(duì)鐵磁性材料的疲勞損傷進(jìn)行無損檢測(cè)。

近年來，在疲勞研究方面用多磁參數(shù)幅值驗(yàn)算取得新發(fā)展，用于壓力管道檢驗(yàn)，可快速評(píng)估管道疲勞強(qiáng)度，為管道運(yùn)行提供保障［7］?；诙啻艆?shù)原理研制的一種鐵磁性材料疲勞檢測(cè)儀，具有快速、便捷進(jìn)行在役設(shè)備關(guān)鍵部位掃描檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，且檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度高。 采用多磁參數(shù)法對(duì)壓力管道進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)不同疲勞強(qiáng)度下多磁參數(shù)特征值的變化，分析疲勞強(qiáng)度與多磁參數(shù)間的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)疲勞失效的預(yù)警。

1 檢測(cè)目標(biāo)

疲勞破壞最易發(fā)生的部位：一是在結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)處即壓力管道的應(yīng)力集中的部位；二是存在裂紋類原始缺陷的焊縫部位，即使在交變的膜應(yīng)力下也會(huì)發(fā)生疲勞裂紋的擴(kuò)展而破壞。 如果兩種情況同時(shí)存在于一處，就很容易發(fā)生疲勞破壞。

筆者分別在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場(chǎng)條件下開展管道疲勞檢測(cè)，在進(jìn)行壓力管道檢驗(yàn)的過程中選取的位置要符合上述情況。 檢測(cè)的管道材料為20G，分別在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。 其中，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試2根壓力管道試塊， 測(cè)試次數(shù)不少于每根10次。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不少于2根現(xiàn)場(chǎng)疲勞工況壓力管道，測(cè)試次數(shù)不少于每根8次。 測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析評(píng)估，數(shù)據(jù)分析評(píng)估不少于50組。

2 檢測(cè)方法

2.1 檢測(cè)儀器選取

采用多磁參數(shù)檢測(cè)法完成對(duì)管道疲勞應(yīng)力的檢測(cè)，多磁參數(shù)檢測(cè)儀主要由主機(jī)和探頭兩部分組成（圖1）。

圖1 多磁參數(shù)檢測(cè)儀

2.2 測(cè)試方案

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試即壓力管道試塊測(cè)試。 對(duì)2根壓力管道（DN159 mm、DN108 mm），每根壓力管道在彎頭兩側(cè)、焊縫邊至少選取8個(gè)位置，做4個(gè)方向的測(cè)試。 對(duì)壓力管道（DN159 mm）疲勞循環(huán)0、1 000、3 000、6 000、10 000次后在同一位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試即吸附器連接管道在役檢測(cè)。 管道的工作壓力0.65 MPa， 工作溫度常溫， 材料為20G，規(guī)格DN200 mm×8.18 mm，循環(huán)的時(shí)間是100 s，分別在吸和呼的過程中檢測(cè)兩次，由于管線中間有閥門和法蘭連接會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)，因此選擇在進(jìn)出第1個(gè)口彎頭兩側(cè)附近測(cè)試不少于6個(gè)位置、 在遠(yuǎn)離容器的直管部位測(cè)試不少于2個(gè)位置，畫好單線圖做好位置記錄，且做好工況記錄（如，電磁干擾等）。

檢測(cè)實(shí)施過程中， 每隔500 mm做4個(gè)方向的測(cè)試，每條管線最少測(cè)量8個(gè)位置，如有彎頭或其他管件，在焊縫附近母材區(qū)域檢測(cè)，管件上不需要檢測(cè)。 由于管道外部有油漆層，為了避免檢測(cè)時(shí)提離不同，測(cè)量前測(cè)量區(qū)域需要打磨，打磨尺寸至少為60 mm×60 mm。

3 數(shù)據(jù)分析

將實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)用于模型制作，分析數(shù)據(jù)時(shí)各多磁參數(shù)特征值作為自變量，疲勞壽命作為因變量。 將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的管道不同位置、不同方向的數(shù)據(jù)作橫向?qū)Ρ?，將這些數(shù)據(jù)制作多元線性回歸模型，多元線性回歸方程是對(duì)多個(gè)自變量和因變量間關(guān)系進(jìn)行建模的一種回歸分析，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中，x和C表示自變量，β表示權(quán)重，y表示因變量。 線性回歸模型參數(shù)見表1。 其中，權(quán)重β數(shù)值由實(shí)驗(yàn)室測(cè)得， 多磁參數(shù)x數(shù)值由實(shí)際測(cè)試得到。

表1 多元線性回歸參數(shù)

通過使用上述線性回歸方程， 將權(quán)重β數(shù)值和多磁參數(shù)x數(shù)值代入式（1），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到因變量y，將得出的結(jié)果列于表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試線性回歸后數(shù)據(jù)

（續(xù)表2）

現(xiàn)場(chǎng)共對(duì)2根壓力管道進(jìn)行測(cè)試， 對(duì)每根管道選擇8個(gè)位置，分4個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量，共96組數(shù)據(jù)。將疲勞壽命達(dá)到8 000次及以上的位置定義為危險(xiǎn)位置。 結(jié)果中共有3組數(shù)據(jù)為危險(xiǎn)，其中一組出現(xiàn)于VN-13A-3-1位置， 另外兩組集中于VN-13B-1-1位置，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖（圖2）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)疲勞預(yù)警位置均處于管道彎曲處，即結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)處，需要對(duì)這些點(diǎn)位進(jìn)行重視并處理。

圖2 危險(xiǎn)位置標(biāo)注

4 結(jié)束語

針對(duì)鐵磁性材料的疲勞損傷問題，提出采用多磁參數(shù)檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。 首先在建立多元線性回歸模型的基礎(chǔ)上在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定，獲得權(quán)重β值；接著，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，得到多磁參數(shù)x的值；最后，將上述數(shù)據(jù)代入回歸模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析， 確定壓力管道的3處位置存在疲勞損傷情況。 說明多磁參數(shù)檢測(cè)方法能有效判斷鐵磁材料的疲勞損傷， 測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確高效，可在壓力管道檢測(cè)中進(jìn)行大規(guī)模推廣使用。