羅龍清，史紅兵

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院, 合肥 230041)

?

液化石油氣儲(chǔ)罐焊后去應(yīng)力熱處理效果的金屬磁記憶技術(shù)評(píng)估

羅龍清，史紅兵

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院, 合肥 230041)

基于鐵磁性材料的磁記憶信號(hào)大小與其所受應(yīng)力或殘余應(yīng)力成正向關(guān)系的特性，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，分析了液化石油氣儲(chǔ)罐(材料16MnR)焊后去應(yīng)力熱處理前后，焊縫上磁記憶信號(hào)統(tǒng)計(jì)量,即標(biāo)準(zhǔn)差S的變化規(guī)律。結(jié)果表明，磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S可以評(píng)估焊后去應(yīng)力熱處理效果，當(dāng)磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S(焊縫段長(zhǎng)度250 mm)低于10 A·m-1時(shí)，去應(yīng)力熱處理效果好。

金屬磁記憶技術(shù)；焊后去應(yīng)力熱處理；評(píng)估； 液化石油氣儲(chǔ)罐

在液化石油氣儲(chǔ)罐焊接組裝過程中，球殼板的機(jī)械加工、焊接過程中的溫差和強(qiáng)行組裝等原因都會(huì)導(dǎo)致焊縫存在較大的殘余應(yīng)力，為了消除殘余應(yīng)力，大多采用焊后去應(yīng)力熱處理方法[1]。去應(yīng)力熱處理效果的評(píng)估一般通過測(cè)量殘余應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)，測(cè)量殘余應(yīng)力的傳統(tǒng)方法有應(yīng)力釋放法、X射線法、超聲波法和深層應(yīng)力分布法等，這些傳統(tǒng)方法可以很好地測(cè)量殘余應(yīng)力，但也存在一些明顯的缺點(diǎn)，比如有損、工藝復(fù)雜、成本高、操作復(fù)雜等[2]。因?yàn)榻饘俅庞洃洐z測(cè)技術(shù)具有無損、操作簡(jiǎn)單和快速診斷等優(yōu)點(diǎn)，且有試驗(yàn)表明其對(duì)評(píng)估去應(yīng)力退火具有可行性，因此，研究應(yīng)用金屬磁記憶檢測(cè)方法評(píng)估焊后去應(yīng)力熱處理對(duì)同行具有借鑒意義[3]。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的原理是:鐵磁性構(gòu)件在受到工作載荷和地磁場(chǎng)的共同作用下，應(yīng)力和變形集中區(qū)會(huì)發(fā)生磁致伸縮，使磁疇組織會(huì)產(chǎn)生定向的和不可逆的重新取向；通過分析構(gòu)件表面的磁性異常，可以得到構(gòu)件的受力和損傷情況[4]。研究表明，采用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)評(píng)估去應(yīng)力熱處理是可行的，而且磁記憶信號(hào)大小與殘余應(yīng)力大小具有嚴(yán)格的正向關(guān)系[5]。筆者在此基礎(chǔ)上，深入分析了液化石油氣儲(chǔ)罐焊后去應(yīng)力熱處理前后的磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律。

1 鐵磁性材料焊后去應(yīng)力熱處理原理

在鐵磁性材料去應(yīng)力熱處理時(shí)，隨著溫度的升高，試件屈服強(qiáng)度下降，當(dāng)試樣殘余應(yīng)力大于金屬的屈服強(qiáng)度時(shí)，試樣在某些局部區(qū)域會(huì)發(fā)生塑性變形，殘余應(yīng)力得到釋放。殘余應(yīng)力幅值的降低取決于保溫溫度下材料的屈服強(qiáng)度和蠕變特性，溫度越高(低于相變臨界點(diǎn))，屈服強(qiáng)度越小，應(yīng)力釋放越多，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，殘余應(yīng)力釋放越徹底[6]，金屬磁記憶信號(hào)越??；但溫度也不能太高，以免金相組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一般低于相變臨界點(diǎn)線以下100～200 ℃。

2 金屬磁記憶評(píng)估可行性分析

JILES和SAVLIK經(jīng)理論推導(dǎo)，得出應(yīng)力σ與外磁場(chǎng)具有同等的磁化效果，且應(yīng)力σ的磁化作用效果與外磁場(chǎng)無關(guān)[7-8]，這就是著名的力-磁效應(yīng)原理，也是金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)磁記憶效應(yīng)機(jī)理的解釋之一。該原理認(rèn)為構(gòu)件的有效磁場(chǎng)He和應(yīng)力σ對(duì)應(yīng)的等效磁場(chǎng)Hσ的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：H為地磁場(chǎng)；β為系數(shù)；M為磁化磁度；Hσ為外力引起的等效磁場(chǎng)。

由上述可知，應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的等效磁場(chǎng)Hσ與應(yīng)力成正比，當(dāng)其他條件一定時(shí)，鐵磁性構(gòu)件的有效磁場(chǎng)He，即金屬磁記憶信號(hào)大小主要由應(yīng)力σ決定。焊后去應(yīng)力熱處理后，殘余應(yīng)力會(huì)大大減小，由力-磁效應(yīng)可知，對(duì)應(yīng)的磁記憶信號(hào)也會(huì)相應(yīng)減小。因此，通過拾取焊縫表面的磁記憶信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理得出特征參量，用來評(píng)估焊后去應(yīng)力熱處理效果，具有理論可行性。

3 數(shù)據(jù)采集和分析

圖1 TSC-3M-12檢測(cè)儀和1-8M型掃描裝置外觀

試驗(yàn)采用俄羅斯動(dòng)力診斷公司的TSC-3M-12(搭配1-8M型掃描裝置)型應(yīng)力集中檢測(cè)儀，如圖1所示,測(cè)量步長(zhǎng)設(shè)置為1 mm(即掃描裝置數(shù)據(jù)采集速率1次·mm-1)，掃描裝置上的四個(gè)磁記憶信號(hào)拾取元件與焊縫母材表面距離始終保持一致，避免提離效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，1-8M型掃描裝置信號(hào)采集方向與焊縫方向平行，且對(duì)稱放置在焊縫正上方。

磁記憶信號(hào)采集前，先對(duì)兩臺(tái)50立方16MnR鋼液化石油氣儲(chǔ)罐(編號(hào)01和02)焊縫進(jìn)行編號(hào)并劃線，如圖2所示，箭頭方向?yàn)樾盘?hào)采集方向。然后分別采集焊后和嚴(yán)格按照熱處理規(guī)范進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理的焊縫磁記憶信號(hào)，隨機(jī)選取5條焊縫(01儲(chǔ)罐3條，02儲(chǔ)罐2條),焊后去應(yīng)力熱處理前后的磁記憶信號(hào)如圖3～7所示。為簡(jiǎn)化處理，每條焊縫隨機(jī)任選一個(gè)探頭的法向分量Hpy,橫坐標(biāo)Lx為焊縫長(zhǎng)度，mm;縱坐標(biāo)H為法向分量Hpy的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2 儲(chǔ)罐焊縫編號(hào)和信號(hào)采集示意

圖3 01儲(chǔ)罐A1焊縫去應(yīng)力熱處理前后磁記憶信號(hào)

圖4 01儲(chǔ)罐B1焊縫去應(yīng)力熱處理前后磁記憶信號(hào)

由上述熱處理后磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律可發(fā)現(xiàn)：熱處理后的磁記憶信號(hào)曲線斜率K值更小，極大值與極小值間的極差大大減小，表明熱處理后的磁記憶信號(hào)曲線變得更加平滑，磁記憶信號(hào)離散程度大大降低。

圖5 01儲(chǔ)罐A3焊縫去應(yīng)力熱處理前后磁記憶信號(hào)

圖6 02儲(chǔ)罐A2焊縫去應(yīng)力熱處理前后磁記憶信號(hào)

圖7 02儲(chǔ)罐B2焊縫去應(yīng)力熱處理前后磁記憶信號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)差，概率統(tǒng)計(jì)中最常用來作為統(tǒng)計(jì)分布的測(cè)量，是方差的算術(shù)平方根，反映一個(gè)數(shù)據(jù)集合的離散程度。平均數(shù)相同的一組數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)差未必相同，標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明數(shù)據(jù)越聚集；標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明數(shù)據(jù)越離散[9]。因此可從描述磁記憶信號(hào)離散程度,著手分析熱處理前后磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S的變化情況。此處以水平距離Lx(250 mm)為一個(gè)基準(zhǔn)范圍，計(jì)算其磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S，儲(chǔ)罐焊縫去應(yīng)力熱處理前后計(jì)算結(jié)果見表1，折線圖見圖8(01A1為焊縫熱處理前的標(biāo)準(zhǔn)差，01A1_P為焊縫熱處理后的標(biāo)準(zhǔn)差，其余類推)。

圖8 去應(yīng)力熱處理前后磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S的變化

上述數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：熱處理前的標(biāo)準(zhǔn)差S普遍較大，均大于10 A·m-1，而且每一焊縫長(zhǎng)度段(長(zhǎng)250 mm)的標(biāo)準(zhǔn)差S相差比較大，說明離散程度很高，殘余應(yīng)力較大；熱處理后的標(biāo)準(zhǔn)差S較小，均小于10 A·m-1，而且每一焊縫長(zhǎng)度段(長(zhǎng)250 mm)的標(biāo)準(zhǔn)差S差距不大，在5 A·m-1上下波動(dòng)，說明離散程度低，去應(yīng)力效果良好。

表1 儲(chǔ)罐焊縫熱處理前后磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S A·m-1

4 結(jié)語

(1) 分析了兩臺(tái)液化石油氣儲(chǔ)罐熱處理后的磁記憶信號(hào)，發(fā)現(xiàn)利用特定焊縫長(zhǎng)度(250 mm)方向上的金屬磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可對(duì)其熱處理效果進(jìn)行評(píng)估；當(dāng)磁記憶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差S低于10 A·m-1(處于5 A·m-1附近)，且各特定焊縫長(zhǎng)度段的標(biāo)準(zhǔn)差S差距很小時(shí)，可認(rèn)為熱處理效果好。

(2) 如條件允許，對(duì)材料種類、厚度、接頭型式、焊接方式和容器類別等不同的情況，可進(jìn)行更多的熱處理試驗(yàn)，采集金屬磁記憶信號(hào)并統(tǒng)計(jì)分析，以驗(yàn)證該試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

[1] 強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008:83-85.

[2] 樊東黎，徐躍明，佟曉輝.熱處理工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 羅龍清，鞠偉，于潤(rùn)橋,等.金屬磁記憶技術(shù)用于去應(yīng)力退火評(píng)估的可行性研究[J].熱處理技術(shù)與裝備，2011,32(5)：17-19.

[4] 任吉林,林俊明.電磁無損檢測(cè)[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2008.

[5] 阿阿·杜波夫，謝米·考羅考利尼柯夫.金屬磁記憶檢測(cè)方法和儀表[M]. 莫斯科:[出版單位不詳],2007:9-13.

[6] 劉永剛，李顯，李少華.焊后去應(yīng)力退火的機(jī)理及應(yīng)用[J].金屬加工，2009(14):60-61.

[7] JILES D C, DEVINC M K. Recent developments in modeling of the stress derivative of magnetization in ferromagnetic materials[J].Journal of Applied Physics,1994,76(10):7015-7017.

[8] SABLIK M J, JILES D C. Coupled magnetoelastic theory of magnetic and magnetostrictive hysteresis[J].IEEE Transactions on Magnetics,1993,29(3):2113-2123.

[9] 盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2008.

The Metal Magnetic Memory Technology Evaluation to the PWHT of LPG Tank

LUO Long-qing, SHI Hong-bing

(Anhui Special Equipment Inspection Institute, Hefei 230041, China)

Based on the positive correlation between the ferro-magnetic material metal magnetic memory signal and the applied strain or residual stress, the changing regularity of the statistic parameters of the weld metal magnetic memory signal - the standard deviationSof the LPG Tank (material 16MnR) before and after the PWHT was analyzed according to the statistical principles. The research shows that the standard deviationSof the metal magnetic memory signal can evaluate the PWHT. The PWHT is fine whenSis below 10 A/m (the length of weld unit is 250 mm).

The metal magnetic memory technology; PWHT; Evaluation; LPG storage tank

2016-06-09

安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技資助項(xiàng)目(13ZJ370021)

羅龍清(1985-),男，碩士，工程師，主要從事無損檢測(cè)和壓力容器檢驗(yàn)技術(shù)研究工作。

羅龍清， E-mail: luolqing@163.com。

10.11973/wsjc201611005

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0027-03