李云飛，韋利明，萬　強

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900）

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X80管線鋼塑性損傷誘發(fā)磁化無損評價研究

李云飛，韋利明，萬強

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900）

摘要：X80管線鋼被廣泛用于石油、天然氣輸運管道中，其鋼材構(gòu)件出現(xiàn)塑性損傷等缺陷后易產(chǎn)生較大安全隱患。為保證系統(tǒng)運行安全，準(zhǔn)確檢測和評估構(gòu)件塑性損傷程度，該文采用金屬磁記憶方法對X80鋼材塑性損傷與損傷誘發(fā)磁場強度之間的關(guān)聯(lián)性進行實驗研究與分析。針對兩種含典型缺陷的管線鋼平板試件，采用實驗拉伸機導(dǎo)入不同程度應(yīng)力集中與塑性損傷，同時通過光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)實時獲取試件表面應(yīng)變分布，采用自行搭建的微量磁場檢測系統(tǒng)測量試件表面誘發(fā)磁場法向分量。結(jié)果表明：試件誘發(fā)磁場強度法向分量與塑性損傷程度之間具有良好相關(guān)性，初步建立X80鋼塑性損傷與誘發(fā)磁場的非線性關(guān)系曲線與定量表達式，可為X80鋼材構(gòu)件塑性損傷程度與無損評價提供一定參考。

關(guān)鍵詞：X80管線鋼；金屬磁記憶；塑性損傷；無損評價

0　引言

X80管線鋼是油氣管道的主要型號用材，油氣管道長期高壓運行一定年限后管道本身容易產(chǎn)生應(yīng)力集中與塑性變形，進而威脅管道的安全運行甚至造成嚴(yán)重災(zāi)害事故。塑性變形等機械損傷作為宏觀裂紋缺陷產(chǎn)生前的早期形式，對其有效的無損檢測與評估，對管道安全運行及災(zāi)害事故的預(yù)防具有重要意義。

近年來，有研究者發(fā)現(xiàn)在一些鋼材構(gòu)件中的裂紋或斷口附近存在集中磁化現(xiàn)象[1]，即在沒有外加激勵磁場條件下（地磁場除外）在裂紋附近區(qū)域可檢測到明顯漏磁場變化。20世紀(jì)90年代俄羅斯Doubov[2]首次提出了金屬應(yīng)力集中區(qū)的磁記憶檢測效應(yīng)，并形成了金屬磁記憶檢測技術(shù)（metal magnetic memory test，MMMT）。

金屬磁記憶方法在損傷檢測領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在定性檢測應(yīng)力集中區(qū)域和定量檢測應(yīng)力水平。徐濱士等[3-5]研究了多種鐵磁性鋼材試件拉伸、疲勞過程中磁信號的變化規(guī)律，得出磁信號過零點對定性判定材料中應(yīng)力集中部位具有一定意義。黃松嶺等[6]研究發(fā)現(xiàn)焊縫附近殘余應(yīng)力分布和試件表面磁感應(yīng)強度垂直分量具有較好的一致性。國外對于鐵磁材料損傷誘發(fā)磁化現(xiàn)象的研究不太多見，Jiles等[7-8]對各種基于磁性特性的強磁性材料損傷檢測方法進行了綜述，包括用于機械損傷檢測的剩磁測量方法等；針對殘余應(yīng)力和損傷檢測的磁彈聲法等。這些方法和研究因外加磁場會帶來不便和導(dǎo)入周邊結(jié)構(gòu)噪聲。波蘭西里西亞工業(yè)大學(xué)M.Roskosz等[9-10]采用剩磁場梯度對鐵磁材料殘余應(yīng)力分布進行了研究，表明兩者具有一定相關(guān)性。

綜合上述，目前磁記憶方法能夠定性識別鐵磁材料損傷區(qū)域，并在工程中有了大量的應(yīng)用，但誘發(fā)磁場和損傷程度的定量關(guān)系是損傷檢測中需深入研究的問題。本文針對我國油氣管道主要管線鋼材型號X80，通過自行搭建的力磁耦合實驗系統(tǒng)基于金屬磁記憶原理擬探究建立塑性損傷程度與誘發(fā)磁場強度的關(guān)系，為管線鋼構(gòu)件安全檢測及危害等級評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1　實驗系統(tǒng)與試件制備

1.1實驗系統(tǒng)

為了分析X80管線鋼塑性損傷程度與損傷誘發(fā)磁場強度之間的定量關(guān)系，本文自行搭建了一套力磁耦合實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由損傷導(dǎo)入系統(tǒng)（拉伸試驗機）、塑性應(yīng)變光學(xué)測量系統(tǒng)和磁記憶信號檢測系統(tǒng)3部分組成。

通過拉伸試驗機對管線鋼平板試件一次或多次導(dǎo)入不同程度塑性損傷，模擬管線鋼在實際運行時因地質(zhì)運動或工作壓力下的疲勞或蠕變等引起的應(yīng)力集中和塑性損傷。采用ARAMIS三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)對加載過程中不同時刻試件表面進行圖樣采集與分析計算。圖像分析軟件像素化圖像中位于試件表面測量區(qū)域內(nèi)的特征點并定位，通過追蹤計算這些特征點在拉伸過程中采集圖像的位置變化，可實時檢測試件表面全場應(yīng)變分布情況。

考慮到實驗中管線鋼試件塑性損傷誘發(fā)磁場強度較小，要求磁場強度測量儀器具有較高的磁場分辨率，并且檢測探頭需具備較高的空間分辨率。因此本文選用Bartington Mag-01H單軸磁通門磁強儀，其磁傳感探頭的空間分辨率為1mm，最小磁場分辨率為1nT，可以滿足實驗中磁場與空間分辨率要求。

為了提高檢測精度和效率，采用配套的三維電動掃描臺及探頭、試件夾具。三維電動掃描臺可實現(xiàn)對試件表面磁信號的平面自動掃查，提高檢測效率與定位準(zhǔn)確度。自行搭建完成微量磁場檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　微量磁場檢測系統(tǒng)

1.2試件制備

管線鋼X80型號具備高強度、高韌性和優(yōu)異的焊接性能。目前國內(nèi)埋地油氣管道主要采用X80管線鋼且已服役一定年限，因此需要進行定期的全面檢測。基于上述因素，本文以X80管線鋼為研究對象，采用拉伸試驗機有針對性地導(dǎo)入不同程度應(yīng)力集中和塑性損傷，考察應(yīng)力、塑性損傷程度與誘發(fā)磁場之間的定量關(guān)系。

根據(jù)管道常見缺陷類型和尺寸，設(shè)計中心貫穿圓孔和雙側(cè)邊緣缺口兩種反映應(yīng)力集中的試件，以考察不同損傷分布狀態(tài)下的誘發(fā)磁場變化規(guī)律。考慮拉伸試驗機的載荷范圍、材料強度和試件檢測范圍的要求，試件設(shè)計尺寸如下，加工完成的試件如圖2所示。

1）中心貫穿圓孔平板試件（A型）：長300 mm，寬50mm，厚5mm，中心貫穿孔直徑為10mm。

2）雙邊邊緣缺口平板試件（B型）：長300 mm，寬50 mm，厚為5 mm，缺口寬度2 mm，單缺口深度10mm，切口尖端為半徑1mm的圓弧過渡。

本文采用自行搭建的微磁場檢測系統(tǒng)，由西向東檢測試件表面上方的磁場分布，測試區(qū)域為試件表面中心長150mm、寬50mm、提離距離2mm的矩形區(qū)域，如圖3所示，同時給出結(jié)果分析時在試件表面建立的局部坐標(biāo)系，沿試件長度方向為Y方向，寬度方向為X方向。

圖2　含缺陷的A、B型平板拉伸試件

圖3　磁場強度測量區(qū)域示意圖

試件拉伸前使用消磁器消除試件在加工制造、運輸和保存過程中的磁化履歷，然后檢測獲取其消磁后的信號。采用拉伸試驗機對試件導(dǎo)入不同程度塑性損傷程度，采用光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)實時測量試件表面的應(yīng)變情況，加載完畢后檢測獲取試件表面磁記憶信號。

2　A型試件檢測結(jié)果

中心穿孔A型試件共加載拉伸7次，對試件塑性應(yīng)變的測量均以未加載前表面圖片為基準(zhǔn)，每次卸載后與之比較和計算，獲取試件表面全場應(yīng)變值分布情況。提取應(yīng)變數(shù)據(jù)可得出試件各次加載后應(yīng)變分布曲面圖，第3次加載后應(yīng)變分布如圖4所示。

圖4　第3次加載后塑性應(yīng)變分布曲面圖

按照1.2所述檢測方法與流程對導(dǎo)入塑性損傷后的試件表面依次進行磁記憶檢測，保持提離高度2 mm，采集誘發(fā)磁場法向分量BZ，得到不同塑性損傷程度下試件的磁記憶信號曲面，選取第1，3次加載后磁記憶信號分布如圖5所示。

圖5　不同加載次數(shù)磁記憶信號分布曲面圖

由圖可見，隨著加載次數(shù)增加，中心穿孔A型試件磁場法向分量BZ在位移坐標(biāo)Y=0附近出現(xiàn)了過零拐點，兩側(cè)波峰對稱分布，加載次數(shù)越往后，拐點越明顯。

3　B型試件檢測結(jié)果

雙邊切口B型試件共加載5次，從光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)中提取應(yīng)變數(shù)據(jù)得到試件加載后應(yīng)變分布曲面圖，與圖4不同的是在試件兩側(cè)切口附近的局部塑形應(yīng)變最大，說明切口損傷處存在應(yīng)力集中。

導(dǎo)入塑性損傷后的試件表面依次進行磁記憶檢測，保持提離高度2mm，檢測磁場法向分量BZ，得到不同塑性損傷程度下試件的磁記憶信號曲面，選取第3，5次加載后磁信號分布如圖6所示。

圖6　不同加載次數(shù)磁記憶信號分布曲面圖

B型試件表面磁場法向分量隨著加載次數(shù)的增加，特別是試件發(fā)生明顯屈服后，試件磁場法向分量BZ在位移坐標(biāo)Y=0附近出現(xiàn)了左右對稱的拐點，加載越往后，拐點越明顯，這表明磁場法向分量BZ出現(xiàn)了明顯過零點現(xiàn)象。與A型試件類似，在試件表面雙邊切口所在區(qū)域（Y=0直線上）漏磁場法向分量的變化一致，與切口缺陷深度無關(guān)。

4　實驗結(jié)果分析

為了分析X80管線鋼塑性損傷和誘發(fā)磁場之間的關(guān)聯(lián)性，重點關(guān)注缺陷部位附近的磁記憶信號特征，本文取試件Y方向-25～25mm表面測試區(qū)域的磁記憶信號分析，以試件沿加載方向（Y向）的最大局部塑性變形量EY表征試件的損傷程度，以X=0線上損傷誘發(fā)磁場法向分量BZ的正負幅值表征磁場強度，不同加載次數(shù)下磁記憶信號曲線如圖7、圖8所示。

對實驗結(jié)果中所有試件的最大塑性應(yīng)變值EY、損傷誘發(fā)磁場法向分量幅值BZ進行提取。表1和表2為累次加載實驗提取的局部最大塑性應(yīng)變量EY和X=0線上損傷誘發(fā)磁場法向分量幅值BZ。

圖7　不同加載次數(shù)X=0線上A型試件磁場法向分量曲線

圖8　不同加載次數(shù)X=0線上B型試件磁場法向分量曲線

表1　A型試件最大塑性應(yīng)變與誘發(fā)磁場幅值

表2　B型試件最大塑性應(yīng)變與誘發(fā)磁場幅值

從圖7、圖8可見，隨著加載次數(shù)增加，試件損傷誘發(fā)磁場幅值也逐漸增大，磁記憶信號曲線在試件中心集中損傷處都出現(xiàn)了過零點。為了進一步明確塑性損傷程度和損發(fā)磁場的關(guān)系，本文根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，得到A型、B型試件塑性損傷與誘發(fā)磁場關(guān)系曲線如9所示。

圖9　A、B型試件損傷誘發(fā)磁場關(guān)系曲線

如圖采用指數(shù)擬合法得到試件BZ幅值與局部最大塑性損傷EY關(guān)系曲線。擬合得到的A型、B型試件BZ的幅值與局部最大塑性變形損傷應(yīng)變量EY關(guān)系式分別為

上述公式定量地給出了X80管線鋼塑性損傷程度與誘發(fā)磁場的非線性關(guān)系。此關(guān)系在一定基礎(chǔ)上可為管線鋼構(gòu)件塑性損傷的無損評價提供參考依據(jù)。

5　結(jié)束語

本文基于金屬磁記憶檢測技術(shù)自行搭建了力磁耦合實驗系統(tǒng)，對X80管線鋼含典型缺陷試件塑性損傷進行了無損評價研究，由實驗結(jié)果得出損傷程度與誘發(fā)磁場之間非線性關(guān)系曲線與定量表達式。結(jié)果表明誘發(fā)磁場信號在較小塑性損傷情況下具有較高靈敏度，但在較大塑性應(yīng)變區(qū)變化不大。本文所得定量表達式進行標(biāo)定后在一定基礎(chǔ)上可為X80管線鋼構(gòu)件塑性損傷程度的無損評價提供參考依據(jù)，具有一定應(yīng)用前景。

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（編輯：李妮）

Nondestructive evaluation of magnetic field induced by plastic deformation of X80 steel

LI Yunfei，WEI Liming，WAN Qiang
（Institute of Systems Engineering，CAEP，Mianyang 621900，China）

Abstract:X80 steel is widely used in oil and gas transport pipelines. Hidden dangers would be triggered if plastic damage and other defects appear in mechanical components. In order to detect accurately and assess the damage degree and ensure safety in system operation，the relation between plastic deformation in X80 steel and damage -induced magnetic field has been experimentally studied via metal magnetic memory（MMM）. Different levels of plastic strains have been imported into two kinds of X80 steel specimens for several times. The strain distribution has been measured through an optical measurement system and the normal components of magnetic memory signals have been obtained by a self -built micro -magnetic detection system. The experimental results have revealed that the normal components of deformation-induced magnetic field intensity are highly correlated with plastic deformation degrees. Furthermore，we have initially established a nonlinear curve and a quantitative expression for plastic deformation and damageinduced magnetic field，thus providing a basis for quantitative evaluation of plastic deformation in X80 steel components.

Keywords:X80 steel；metal magnetic memory；plastic deformation；nondestructive evaluation

作者簡介：李云飛（1986-），男，四川綿陽市人，工程師，碩士，研究方向為電磁無損檢測與評價。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（11372295，11302206）

收稿日期：2015-04-04；收到修改稿日期：2015-05-28

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.005

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0021-05