張硯耕,胡 斌,2,蔡晉輝

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029)

海上石油平臺(tái)是海上石油開(kāi)發(fā)的重要基礎(chǔ)性設(shè)施,環(huán)境腐蝕、船只碰撞、材料老化、構(gòu)件缺陷、海生物附著、機(jī)械損傷等因素都會(huì)造成疲勞累積[1],一旦引發(fā)結(jié)構(gòu)失效,就會(huì)導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡.目前常用的海上石油平臺(tái)檢測(cè)手段包括超聲、射線(xiàn)、磁粉和熱成像等,都只能檢測(cè)到構(gòu)件上的宏觀(guān)缺陷,無(wú)法確定早期應(yīng)力集中區(qū)域.近年來(lái)海上石油平臺(tái)頻繁發(fā)生由應(yīng)力集中導(dǎo)致的突發(fā)性事故[2-3],因此研究構(gòu)件早期的應(yīng)力集中區(qū)域檢測(cè)方法具有重要意義.

金屬磁記憶檢測(cè)法可通過(guò)采集鐵磁性構(gòu)件表面的漏磁信號(hào)并加以分析,找出被測(cè)件的應(yīng)力集中區(qū)域,在疲勞損傷診斷等方面具有相當(dāng)?shù)臐摿?DOBOV[4]研究了磁記憶信號(hào)Hy與機(jī)械應(yīng)力的變化量Δσ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.WILSON等[5]研究了拉伸應(yīng)力作用下焊接鋼件表面的殘余磁場(chǎng)變化,結(jié)果表明根據(jù)磁信號(hào)曲線(xiàn)分布可以提前識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域.ROSKOSZ等[6]研究了磁場(chǎng)梯度最大值和最大等效殘余應(yīng)力隨應(yīng)變的變化規(guī)律,表明磁場(chǎng)梯度值與殘余應(yīng)力之間有較好的定性、定量關(guān)系.劉志才等[7]研究了提離值對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域判別的影響,結(jié)果表明提離會(huì)削弱磁信號(hào)峰峰值,但不會(huì)影響損傷位置的判別.張軍等[8]提出一種相軌跡分析法,通過(guò)觀(guān)察磁信號(hào)的K-H曲線(xiàn)是否封閉來(lái)判斷有無(wú)應(yīng)力集中,并根據(jù)封閉區(qū)域的最大梯度和面積評(píng)估損傷狀態(tài).

金屬磁記憶檢測(cè)法易受干擾[9].在海上石油平臺(tái)構(gòu)件檢測(cè)中,構(gòu)件表面涂層導(dǎo)致磁記憶探頭提離,進(jìn)而影響到檢測(cè)結(jié)果.針對(duì)上述問(wèn)題,本文在不同提離值下采集試塊表面磁信號(hào),然后采用小波自適應(yīng)閾值消噪法對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行消噪,并對(duì)重復(fù)采集的磁信號(hào)進(jìn)行相異性處理;最后分析磁信號(hào)梯度和相軌跡,找出適合不同提離值下磁信號(hào)的分析方法,并前往渤海某海上石油平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證.

1 金屬磁記憶檢測(cè)的原理

處在地磁場(chǎng)環(huán)境下的鐵磁性構(gòu)件受到工作載荷的作用時(shí),其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁質(zhì)伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的、不可逆的重新取向,并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)H的變化,即磁場(chǎng)的切向分量Hx具有最大值,而法向分量Hy改變符號(hào)且具有零值點(diǎn),如圖1.這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留,從而通過(guò)磁信號(hào)可分析出工件的應(yīng)力集中區(qū)域.目前金屬磁記憶法中常用的磁參數(shù)為磁場(chǎng)法向分量Hy和梯度值K,Hy過(guò)零點(diǎn)和K值較大均表明有應(yīng)力集中,且K值的大小在一定程度上可以反映應(yīng)力集中程度[10].K的計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，ΔHy為單位掃查步長(zhǎng)內(nèi)磁場(chǎng)變化量,Δl為掃查步長(zhǎng).

圖1 金屬磁記憶檢測(cè)原理圖Figure 1 Principle of metal magnetic memory testing

此外，磁信號(hào)某點(diǎn)的梯度值與梯度平均值的比值m,可用來(lái)判斷被測(cè)件是否處于瀕臨損傷的極限狀態(tài).某點(diǎn)m值較大表明該點(diǎn)的K值遠(yuǎn)大于平均值,也可以作為應(yīng)力集中的判斷依據(jù).m值的計(jì)算較K值復(fù)雜,且無(wú)法表征應(yīng)力集中程度.

2 探頭提離對(duì)磁記憶檢測(cè)結(jié)果的影響

2.1 試驗(yàn)方案

選取兩塊經(jīng)磁記憶檢測(cè)表明有應(yīng)力集中的鋼板,表面無(wú)涂層,無(wú)氧化,材質(zhì)為16MnR和45鋼,編號(hào)為1#和2#.覆蓋0.5 mm厚度的透明塑料板模擬構(gòu)件表面涂層.海上平臺(tái)大氣區(qū)受重度載荷的甲板表面涂層厚度達(dá)到2.5 mm左右,其他構(gòu)件涂層厚度均<1 mm[11],因此選擇在提離0 mm、0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm的情況下分別按照同一掃查路徑采集磁信號(hào),重復(fù)采集5次.磁信號(hào)采集裝置采用TSC-2M-8型磁檢測(cè)儀.為避免邊緣效應(yīng),沿試塊中心線(xiàn)截取180 mm作為掃查路徑,如圖2.將采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析對(duì)比.

圖2 掃查路徑Figure 2 Scan path

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.2.1 磁信號(hào)的小波自適應(yīng)閾值消噪

為提高磁信號(hào)的信噪比,有效提取過(guò)零點(diǎn),梯度值等磁記憶特征量,本文采用小波自適應(yīng)閾值消噪對(duì)原始磁記憶信號(hào)進(jìn)行消噪處理.

根據(jù)小波降噪法的數(shù)學(xué)模型,采集到的磁記憶信號(hào)y(t)為真實(shí)的信號(hào)與Gaussian白噪聲的疊加:

y(t)=f(t)+σ×n(t).

(2)

式(2)中:n(t)為Gaussian白噪聲,σ為噪聲強(qiáng)度,f(t)為真實(shí)的磁記憶信號(hào).

小波閾值去噪分為3步:首先將原始信號(hào)進(jìn)行小波分解,其次對(duì)分解得到的小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理,最終進(jìn)行小波重構(gòu).小波閾值去噪法的關(guān)鍵在于小波函數(shù)、分解層數(shù)的選擇和閾值的計(jì)算.MATLAB的ddencmp函數(shù)可針對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算出合適的閾值,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了多次的對(duì)比分析,最終選取小波函數(shù)“db4”,進(jìn)行4層的小波分解,消噪效果如圖3.

圖3 小波自適應(yīng)閾值消噪效果Figure 3 Effect of the adaptive wavelet threshold denoising

2.2.2 多次重復(fù)試驗(yàn)中磁信號(hào)的相異性處理

多次重復(fù)試驗(yàn)中的磁信號(hào)應(yīng)具有高度的相似性,采用相關(guān)系數(shù)γ描述兩組磁信號(hào)之間的相關(guān)關(guān)系,保留正相關(guān)性高的磁信號(hào),提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度.兩組磁信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)定義如下:

(3)

式(3)中:xi、xj分別為兩次試驗(yàn)所采集的磁信號(hào)數(shù)據(jù)序列,conv(xi,xj)為兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)序列的協(xié)方差,D(xi)、D(xj)分別為兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差.

γ的范圍為[-1,1],γ為正值表示正相關(guān),為負(fù)值表示負(fù)相關(guān),為零表示不相關(guān);|γ|越大,表示相關(guān)程度越高.為確保數(shù)據(jù)的可靠性,只保留相互之間γ>0.9的磁信號(hào).

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

兩試塊不同提離值下的磁信號(hào)如圖4、圖5,梯度最大值Kmax與m值最大值mmax變化如表1.

圖4 1#試塊的磁信號(hào)Figure 4 Magentic signal of speciman No.1

圖5 2#試塊的磁信號(hào)Figure 5 Magentic signal of speciman No.2

表1 不同提離值下兩試塊關(guān)鍵磁參數(shù)變化情況Table 1 Variation of key magnetic parameters of two specimens under different probe lift-off values

由1#試塊分析可得,當(dāng)被測(cè)件有高度應(yīng)力集中時(shí)(無(wú)提離時(shí)Kmax為21.250),隨著提離值的增大,磁信號(hào)曲線(xiàn)變化不明顯,提離值達(dá)到5 mm也可以?xún)H靠K值大小(提離5 mm時(shí)Kmax為8.125)來(lái)找出應(yīng)力集中區(qū)域.在提離值由0 mm→5 mm的過(guò)程中,磁信號(hào)變化幅度變小,K值迅速減小,減小率達(dá)61.76%;而m值變化較為緩慢,減小率僅為17.06%.

由2#試塊分析可得,被測(cè)件應(yīng)力集中程度不夠高(無(wú)提離時(shí)Kmax為11.375)時(shí),若探頭提離不超過(guò)2 mm,通過(guò)K值即可判定應(yīng)力集中區(qū)域;提離達(dá)到3 mm時(shí),Kmax僅為2.125,不能確定是否有應(yīng)力集中,但其相軌跡圖存在閉合區(qū)域,即有應(yīng)力集中存在,如圖6,再通過(guò)m值即可定位應(yīng)力集中區(qū)域;提離值達(dá)到4 mm時(shí),相軌跡圖顯示無(wú)明顯應(yīng)力集中,但m值仍可反映出應(yīng)力集中區(qū)域,如圖7.在提離值增大過(guò)程中,磁信號(hào)變化幅度變小,K值減小率達(dá)91.21%,m值減小率為48.48%.

圖6 探頭提離3 mm時(shí)2#試塊磁信號(hào)相軌跡圖Figure 6 Magnetic signal phase locus of specimen No.2 when the lift-off value is 3 mm

圖7 探頭提離5 mm時(shí)2#試塊磁信號(hào)分析Figure 7 Magnetic signal analysis of specimen No.2 when the lift-off value is 5 mm

由兩試塊K值和m值的變化可知,應(yīng)力集中區(qū)域的K值和m值隨探頭提離的增大呈減小的趨勢(shì),且m值的減小率遠(yuǎn)小于K值減小率.因此，當(dāng)提離值較大時(shí),若通過(guò)K值難以判斷被測(cè)件的應(yīng)力情況,可嘗試通過(guò)m值進(jìn)行判斷.

由圖6和圖7可得,磁信號(hào)相軌跡可以反映有無(wú)應(yīng)力集中,雖無(wú)法確定應(yīng)力集中的位置,但受提離值的影響小于K值.

綜上所述,采集到的磁信號(hào)幅值隨磁記憶探頭提離值的增大而減小,從而導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域的辨別難度隨探頭提離值的增大而增大。不同的提離值下采集到的磁信號(hào)需要用相應(yīng)的方法來(lái)分析:當(dāng)提離值≤1 mm時(shí),只需分析K值;1 mm<提離值≤3 mm時(shí),在分析K值的基礎(chǔ)上,需要借助磁信號(hào)相軌跡進(jìn)行應(yīng)力集中的定性;提離值>3 mm時(shí),若相軌跡沒(méi)有反映出應(yīng)力集中,則需觀(guān)察m值曲線(xiàn),將m值較大的區(qū)域定為應(yīng)力集中區(qū)域.

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

本次檢測(cè)同樣采用TSC-2M-8型應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀,檢測(cè)對(duì)象為海上石油平臺(tái)的甲板、斜撐和橫梁.根據(jù)其表面涂層厚度,選取相應(yīng)的方法對(duì)采集到的磁信號(hào)進(jìn)行分析,現(xiàn)分別說(shuō)明.

3.1 甲板的檢測(cè)

被測(cè)甲板如圖8,框內(nèi)為形變區(qū)域.該甲板表面涂層厚度為2.5 mm左右,需對(duì)其磁信號(hào)的K值和相軌跡圖進(jìn)行分析.結(jié)果表明,應(yīng)力集中區(qū)域多分布在斜撐周邊.該甲板應(yīng)力集中程度較高,僅通過(guò)K值即可判定應(yīng)力集中區(qū)域,相軌跡圖也顯示有應(yīng)力集中.以圖8中白色箭頭所示掃查路徑為例,信號(hào)分析如圖9所示,可見(jiàn)斜撐附近應(yīng)力較為集中.此外在3 900～4 100 mm之間也有一處K值突出,該處甲板曾有破損,后經(jīng)焊接堵漏.

圖8 MCC間外甲板Figure 8 Deck outside the MCC room

圖9 甲板磁信號(hào)分析Figure 9 Magnetic signal analysis of the deck

3.2 斜撐的檢測(cè)

對(duì)平臺(tái)中層甲板東南部斜撐進(jìn)行金屬磁記憶檢測(cè),并用磁粉檢測(cè)進(jìn)行復(fù)驗(yàn).斜撐表面涂層厚度<1 mm,故只對(duì)磁信號(hào)的K值進(jìn)行分析.兩種檢測(cè)方法得出的結(jié)果對(duì)應(yīng)良好,如表2.

表2 金屬磁記憶檢測(cè)和磁粉檢測(cè)結(jié)果Table 2 Magnetic memory test results and magnetic powder test results

圖10 斜撐掃查路徑Figure 10 Scan path of the diagonal bracing

以斜撐東側(cè)上半部分為例,掃查路徑如圖10.檢測(cè)結(jié)果表明,掃查路徑起始的焊縫處和最終的連接處都有明顯的應(yīng)力集中.其他區(qū)域也有應(yīng)力集中,但集中程度相對(duì)較低,如圖11.磁粉檢測(cè)結(jié)果如圖12,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度為5 mm的裂紋.

圖11 斜撐磁信號(hào)分析Figure 11 Magnetic signal analysis of the diagonal bracing

圖12 斜撐磁粉檢測(cè)結(jié)果Figure 12 Result of magnetic powder detection of the diagonal bracing

3.3 橫梁的檢測(cè)

對(duì)中層甲板頂部橫梁進(jìn)行金屬磁記憶檢測(cè),橫梁表面涂層厚度<1 mm,故只對(duì)磁信號(hào)的K值進(jìn)行分析.發(fā)現(xiàn)橫梁應(yīng)力集中區(qū)域多在焊縫、橫梁邊緣以及橫梁與其他構(gòu)件的交疊處,如表3.

表3 橫梁應(yīng)力集中情況Table 3 Stress concentration of crossbeams

以MCC間外主梁為例,掃查路徑如圖13.經(jīng)數(shù)據(jù)分析可得,該橫梁有兩處應(yīng)力集中區(qū)域,分別在300 mm和1 700 mm附近,其中后者為焊縫所在區(qū)域,如圖14.

圖13 橫梁掃查路徑Figure 13 Scan path of the crossbeam

圖14 橫梁磁信號(hào)分析Figure 14 Magnetic signal analysis of the crossbeam

4 結(jié)語(yǔ)

1)隨著磁記憶探頭提離值的增大,采集到磁信號(hào)的幅值減小,使得反映應(yīng)力集中的K值和m值隨之減小,導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域的辨別難度增大.但m值的減小率遠(yuǎn)小于K值減小率,故當(dāng)提離值較大時(shí),可由m值代替K值輔助判斷應(yīng)力集中區(qū)域.

2)磁信號(hào)相軌跡不能定位應(yīng)力集中區(qū)域,但能定性有無(wú)應(yīng)力集中,且受提離值的影響小于梯度值K.可作為輔助判斷手段.

3)海上石油平臺(tái)鐵磁性構(gòu)件表面涂層厚度不同,導(dǎo)致磁記憶探頭的提離值不同.為實(shí)現(xiàn)金屬磁記憶檢測(cè)法對(duì)海上石油平臺(tái)鐵磁性構(gòu)件不打磨檢測(cè),應(yīng)針對(duì)探頭提離值選擇相應(yīng)的磁信號(hào)分析方法:探頭提離小于1 mm時(shí)只需分析K值,1～3 mm時(shí)須借助磁信號(hào)相軌跡進(jìn)行應(yīng)力集中的定性判斷,大于3 mm時(shí)可用m值代替K值進(jìn)行應(yīng)力集中區(qū)域的判定.