李云飛，韋利明，萬(wàn) 強(qiáng)

(1.中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 612999)

X80管線鋼是我國(guó)目前油氣輸運(yùn)應(yīng)用最廣泛的管線鋼材.油氣管道長(zhǎng)期高壓運(yùn)行，與土壤、水分接觸或受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，運(yùn)行一定年限后管道會(huì)趨于老化，因管體腐蝕、穿孔、裂紋等損傷導(dǎo)致的泄漏事故時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)管道塑性變形與應(yīng)力集中等早期隱性損傷進(jìn)行有效無(wú)損檢測(cè)對(duì)災(zāi)害事故的預(yù)防具有重要意義[1-2].

目前，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)只適用于已成形的宏觀缺陷[3-5]，由俄羅斯Doubov[6]首次提出的金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可對(duì)鐵磁材料應(yīng)力集中、早期損傷等進(jìn)行有效診斷，因此受到諸多研究者的普遍關(guān)注.Jiles等[7-8]對(duì)用于機(jī)械損傷檢測(cè)的剩磁測(cè)量方法，針對(duì)殘余應(yīng)力和損傷檢測(cè)的磁彈聲速方法等進(jìn)行了綜述；黃松嶺等[9]對(duì)地磁作用下ASTM1020鋼板磁信號(hào)變化進(jìn)行了檢測(cè)研究；方發(fā)勝等[10]和王威等[11]分別對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)、建筑鋼結(jié)構(gòu)中的Q235、Q345B鋼試件在靜拉應(yīng)力下的磁場(chǎng)梯度信號(hào)進(jìn)行了研究，并對(duì)材料的磁疇組織變化進(jìn)行了分析；任吉林等[12]與王慧鵬等[13]分別開展了40Cr鋼、45CrMoVA結(jié)構(gòu)鋼的不同周次的疲勞試驗(yàn)，研究了載荷、周次與位置等因素對(duì)漏磁信號(hào)的影響規(guī)律.但磁記憶檢測(cè)對(duì)管線鋼的應(yīng)用研究相對(duì)較少，加之油氣管道的材性、載荷方式及工作環(huán)境與上述構(gòu)件存在顯著差異，有必要對(duì)管線鋼的力磁耦合效應(yīng)特征以及載荷與磁信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行深入研究.

本文對(duì)X80管線鋼光滑試件、含人工預(yù)制穿孔與切槽試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)試件表面誘發(fā)磁場(chǎng)的法向分量與切向分量，研究了不同載荷狀況下磁信號(hào)的變化規(guī)律，初步建立X80管線鋼塑性損傷與磁信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為磁記憶檢測(cè)技術(shù)在輸運(yùn)管道領(lǐng)域的定量無(wú)損評(píng)估奠定基礎(chǔ).

1 試 驗(yàn)

1.1 試件

X80管線鋼具備高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)異的焊接性能，主要化學(xué)成分見表1.

表1X80管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Chemical composition of X80 pipeline steel (wt.%)

CSiMnCrNiNbVMo0.0630.281.830.030.030.0610.0590.22

目前,我國(guó)油氣管道主要用材為X80管線鋼，并且需要進(jìn)行定期的全面檢測(cè).因此,本文以X80管線鋼為研究對(duì)象，根據(jù)管道常見缺陷類型和尺寸，設(shè)計(jì)了無(wú)缺陷平板試件以及中心貫穿圓孔、雙側(cè)邊緣缺口2種反映應(yīng)力集中的試件，以考察不同損傷分布狀態(tài)下的磁信號(hào)變化規(guī)律.考慮拉伸試驗(yàn)機(jī)的載荷范圍、材料強(qiáng)度和試件檢測(cè)范圍的要求，設(shè)計(jì)A、B、C 3種試件，試件尺寸設(shè)計(jì)如圖1所示.

1)無(wú)缺陷平板試件(A型試件)：長(zhǎng)500 mm，寬50 mm，厚5 mm.

2)中心貫穿圓孔平板試件(B型試件)：長(zhǎng)500 mm，寬50 mm，厚5 mm，中心貫穿孔直徑為10 mm.

3)雙邊邊緣切口平板試件(C型試件)：長(zhǎng)500 mm，寬50 mm，厚5 mm，切口寬度2 mm，單切口長(zhǎng)度10 mm，切口尖端為半徑1 mm的圓弧過渡.

圖1 不同類型平板拉伸試件(單位:mm)

試驗(yàn)中擬試件加載前和各次卸載后在空曠位置沿南北向放置，由北(N)向南(S)測(cè)量試件表面磁記憶信號(hào)，提離高度2 mm.磁記憶檢測(cè)參考線示意如圖2所示，檢測(cè)距離為150 mm，參考線間距為8 mm.A、B型試件提取測(cè)試參考線Line1的磁信號(hào)，C型試件提取Line4的磁信號(hào).

圖2 磁記憶信號(hào)測(cè)量參考線示意圖(單位:mm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

為分析X80管線鋼不同缺陷類型的磁記憶信號(hào)特征，研究管線鋼塑性損傷與磁記憶信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文自行搭建了一套力磁耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由損傷導(dǎo)入系統(tǒng)(拉伸試驗(yàn)機(jī))、塑性應(yīng)變光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和磁記憶信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)3部分組成[14-15].

通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)管線鋼平板試件一次或多次導(dǎo)入不同程度的塑性損傷，模擬管線鋼在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下因地質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)對(duì)加載過程中不同加載次數(shù)后試件表面的全場(chǎng)應(yīng)變分布情況進(jìn)行測(cè)量.

考慮到試驗(yàn)中管線鋼試件塑性損傷誘發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，要求磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x器具有較高的磁場(chǎng)分辨率，并且檢測(cè)探頭需具備較高的空間分辨率.本文選用TSC-3M-12型磁記憶檢測(cè)儀如圖3所示，用于試件準(zhǔn)靜態(tài)拉伸過程中應(yīng)力集中部位卸載后試件表面磁記憶信號(hào)的檢測(cè).該儀器測(cè)量范圍為±2 000 A/m，磁場(chǎng)分辨率為1 nT，空間分辨率1 mm，磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)誤差為±5%.可掃描檢測(cè)試件表面任意一點(diǎn)或沿某直線行進(jìn)，同時(shí)記錄磁場(chǎng)強(qiáng)度和受檢對(duì)象位移坐標(biāo).

圖3 TSC-3M-12型磁記憶檢測(cè)儀主機(jī)和傳感器

1.3 試驗(yàn)方法與流程

本文對(duì)單個(gè)試件進(jìn)行重復(fù)多次加載導(dǎo)入塑性損傷，卸載后測(cè)量其累計(jì)塑性應(yīng)變及磁記憶信號(hào).具體試驗(yàn)流程為：1)試件拉伸前檢測(cè)其初始磁場(chǎng)信號(hào)，明確拉伸前試件的自然磁化情況；2)使用消磁器消除試件在加工制造、運(yùn)輸和保存工程中的磁化履歷，然后檢測(cè)其消磁后的信號(hào)；3)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件導(dǎo)入不同程度的塑性損傷，采用光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)試件表面的應(yīng)變情況.卸載后離線檢測(cè)該次的試件表面磁記憶信號(hào)，然后重復(fù)第3步驟.

2 結(jié)果與討論

2.1 X80管線鋼的拉伸性能

本研究中各型試件的拉伸試驗(yàn)均采用位移控制加載，加載速率為5 mm/min.圖4為X80管線鋼A型試件的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，無(wú)缺陷試件的拉伸變形可大體分為彈性變形階段、屈服強(qiáng)化階段和頸縮斷裂階段.X80管線鋼標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件斷裂延伸率可達(dá)20%，其中屈服強(qiáng)化段超過10%，拉伸破壞呈典型的塑性斷裂，表明X80管線鋼韌性良好.

圖4 X80管線鋼工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.4 Engineering stress-strain curve of X80 pipeline steel

根據(jù)各型試件準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)載荷-位移曲線，試件預(yù)設(shè)加載情況如表2所示.

表2各試件重復(fù)加載中當(dāng)次加載的預(yù)設(shè)應(yīng)變

Table 2 Predefined strain in different loading times of different specimens %

2.2 地磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

考慮到地磁場(chǎng)對(duì)試件磁記憶信號(hào)檢測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)試件所擺放位置的地磁場(chǎng)法向分量和切向分量進(jìn)行檢測(cè).磁記憶信號(hào)如圖5所示，可見試件測(cè)試位置地磁場(chǎng)大小幾乎恒定，環(huán)境磁場(chǎng)單一，不會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來明顯檢測(cè)誤差.

2.3 法向分量檢測(cè)結(jié)果

圖6～8分別為A、B、C型試件加載前及多次重復(fù)加載后的磁記憶信號(hào)法向分量檢測(cè)結(jié)果.圖中黑色曲線為3種試件加載前經(jīng)過消磁處理后的原始磁場(chǎng)法向分量檢測(cè)信號(hào)，3種試件的磁記憶信號(hào)均隨檢測(cè)位移增大而近似線性減小，信號(hào)最大值與最小值的幅值約100 A/m，表明不同類型試件加載前的磁記憶信號(hào)分布基本相同.

由圖6可知，隨著加載次數(shù)的增加，A型試件磁信號(hào)法向分量(Hy)走向從平緩趨向波動(dòng)，但未出現(xiàn)明顯峰值，200 mm檢測(cè)距離內(nèi)磁信號(hào)變化規(guī)律類似.

圖5測(cè)試位置由南向北地磁場(chǎng)法向分量(Hy)和切向分量(Hx)

Fig.5 Normal component (Hy) and tangential component (Hx) of geomagnetic field in testing position from south to north

圖6 A試件法向分量結(jié)果

圖7 B試件法向分量結(jié)果

圖7、圖8中隨著加載次數(shù)的增加，B型試件與C型試件的磁信號(hào)法向分量(Hy)在位移坐標(biāo)100 mm附近(即缺陷處)出現(xiàn)反對(duì)稱雙峰，隨著加載次數(shù)反對(duì)稱雙峰漸趨明顯，且磁信號(hào)在試件中心出現(xiàn)過零點(diǎn)現(xiàn)象.C型試件第4次加載后由于發(fā)生明顯屈服，雙峰值更大，過零點(diǎn)現(xiàn)象比B型試件更明顯.

圖8 C試件法向分量結(jié)果

2.4 切向分量檢測(cè)結(jié)果

圖9～11分別為A、B、C型試件加載前及多次重復(fù)加載后的磁記憶信號(hào)切向分量檢測(cè)結(jié)果.由圖9～11可見，不同類型試件加載前通過消除試件磁化履歷后，原始磁場(chǎng)切向分量基本接近于零位，信號(hào)幅值變化在20 A/m內(nèi)，波動(dòng)幅度小于法向分量.

圖9中,隨著加載次數(shù)的增加，A型試件磁場(chǎng)切向分量(Hx)走向從平緩趨向波動(dòng)，但未出現(xiàn)明顯的峰值，200 mm檢測(cè)距離內(nèi)磁信號(hào)變化規(guī)律類似.

圖9 A試件切向分量結(jié)果

圖10、圖11 中,隨著加載次數(shù)的增加，B型試件與C型試件磁信號(hào)切向分量(Hx)在位移坐標(biāo)100 mm附近(即缺陷處)出現(xiàn)明顯單峰，隨著加載次數(shù)增加峰值逐漸增大.C型試件第4次加載后發(fā)生明顯塑性屈服，單峰現(xiàn)象最為明顯.

圖10 B試件切向分量結(jié)果

圖11 C試件切向分量結(jié)果

3 結(jié) 論

本文針對(duì)X80管線鋼設(shè)計(jì)了3種含不同缺陷類型的平板試件，采用自行搭建的檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，初步獲取了管線鋼塑性損傷與磁記憶信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1)無(wú)缺陷試件隨著塑性變形程度的增大，磁信號(hào)由線性規(guī)律分布趨于波動(dòng)變化，但未出現(xiàn)明顯波峰波谷.

2)含穿孔或切槽缺陷試件隨著加載后塑性變形的增大，磁信號(hào)法向分量在缺陷附近出現(xiàn)反對(duì)稱雙峰與過零點(diǎn)現(xiàn)象，并且該現(xiàn)象漸趨明顯.磁信號(hào)切向分量在缺陷附近出現(xiàn)單峰，峰值隨加載次數(shù)逐漸增大.相關(guān)力磁效應(yīng)特征與缺陷類型無(wú)關(guān).

3)通過磁信號(hào)法向分量Hy和切向分量Hx是否出現(xiàn)波峰和波谷可用于判斷集中缺陷的存在，Hy和Hx信號(hào)波峰與波谷的對(duì)稱性可以被用于判斷集中損傷的位置.磁信號(hào)分量的峰谷值與試件的塑性變形程度存在一定非線性關(guān)系，為油氣管道X80管線鋼塑性損傷程度定量評(píng)估提供參考依據(jù).