翁光遠(yuǎn)，張煜敏，代建波，石 韻

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

引 言

天然氣管線鋼是典型的鐵磁性材料，基于磁力耦合效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了鐵磁材料構(gòu)件的無損在線應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)研究。Mierczak L,Jiles D C,Fellow[1]等人研究了利用磁巴克豪森噪聲(Magnetic Barkhausen Noise，MBN)效應(yīng)進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力評(píng)估的新技術(shù)，Yelbay H Ilker,Cam Ibrahim,Gur Hakan C[2]等人研究了鋼材焊縫應(yīng)力狀態(tài)的磁巴克豪森效應(yīng)無損檢測(cè)，Sagar S P,Parida N,Das S[3]等人研究了低碳結(jié)構(gòu)鋼的磁聲發(fā)射疲勞損傷評(píng)估方法。MBN效應(yīng)不僅可以評(píng)定鐵磁件的應(yīng)力狀態(tài)，而且具有監(jiān)測(cè)構(gòu)件變形的潛力，Sanchez等[4]通過研究表明了MBN信號(hào)幅值與結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料一定深度變形的關(guān)系。在油氣管道損傷磁性檢測(cè)方面，楊叔子[5-7]等提出了一種適于對(duì)油管損傷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的磁性檢測(cè)法并設(shè)計(jì)了多傳感器子系統(tǒng),王錫江等[8]利用脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)附帶保溫材料的管道進(jìn)行了腐蝕缺陷的定量檢測(cè)，康中尉等[9]對(duì)鋼管表面缺陷利用交變漏磁原理進(jìn)行了檢測(cè)，閔希華等[10]針對(duì)油氣管道應(yīng)力在線檢測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提出弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。這些研究成果揭示了鐵磁材料缺陷與磁場(chǎng)參量之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了損傷識(shí)別。同時(shí)，相關(guān)研究學(xué)者對(duì)磁鐵材料的磁力效應(yīng)也進(jìn)行了研究，王樹志等[11]通過懸臂鋼梁加載試驗(yàn)對(duì)鋼梁表面應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，建立了磁化方向下應(yīng)力與磁參量之間的關(guān)系。孫志遠(yuǎn)等[12]對(duì)Q235建筑鋼材進(jìn)行了磁力檢測(cè)試驗(yàn)研究，建立了磁感應(yīng)力強(qiáng)度與應(yīng)力的關(guān)系。熊二剛等[13-14]基于磁力效應(yīng)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全磁通量應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的理論進(jìn)行了研究，揭示了Q235鋼材的磁力本構(gòu)關(guān)系。

總之，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在管道缺陷磁性檢測(cè)技術(shù)及鐵磁材料應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域取得了較多的成果，但是沒有專門針對(duì)常見管線鋼磁力學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用的研究。為此，本文對(duì)X80管線鋼的磁力學(xué)微觀機(jī)理進(jìn)行研究，提出磁力耦合應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立X80管線鋼的磁力學(xué)本構(gòu)模型及應(yīng)用方法。

1 X80管線鋼磁力效應(yīng)機(jī)理

1.1 X80管線鋼磁特性試驗(yàn)試樣

選用某鋼廠不同生產(chǎn)批次的X80管線鋼圓棒試樣，進(jìn)行磁特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)試樣的主要化學(xué)成分見表1。

表1 X80管線鋼圓棒試驗(yàn)化學(xué)成分及力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Chemical composition and mechanics indexes of X80 pipeline steel

樣品出廠長(zhǎng)度為2 500 mm，對(duì)成品試樣進(jìn)行手工切割，以減少熱熔引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化后對(duì)磁性的影響。為了便于進(jìn)行磁力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，每組包括5根長(zhǎng)度均為500 mm的試驗(yàn)試樣，由2 500 mm成品切割而成，分別用于微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描、磁滯曲線測(cè)定、磁化參數(shù)確定、磁通量-拉應(yīng)力試驗(yàn)、磁通量-壓應(yīng)力試驗(yàn)等試驗(yàn)工況。

管線鋼磁特性試驗(yàn)研究的主要目的為：(1)探明X80管線鋼微觀結(jié)構(gòu)對(duì)磁特性的影響；(2)測(cè)得X80管線鋼試驗(yàn)試樣的磁化曲線，確定其技術(shù)磁化的重要參數(shù)，為勵(lì)磁裝置的性能設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)；(3)測(cè)得X80管線鋼試驗(yàn)試樣的磁性變化范圍，為磁性測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、磁路優(yōu)化和工作性能參數(shù)確定提供理論依據(jù)。

1.2 X80管線鋼微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

天然氣管線鋼的化學(xué)成分及含量對(duì)微觀磁疇結(jié)構(gòu)有重要影響，從磁力耦合角度揭示管線鋼的可焊性、抗拉壓強(qiáng)度、韌性(低溫韌性)，以及天然氣管道的力學(xué)行為演變機(jī)理是研究的熱點(diǎn)問題[15-16]。在微觀結(jié)構(gòu)方面，管線鋼與純鐵、電工鐵有區(qū)別，因此，采用徠卡DMI3000M/ DFC450倒置金相顯微鏡，對(duì)X80管線鋼的4組試驗(yàn)試樣，在放大200倍條件下，進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)顯微金相成圖分析。

試樣通過粗砂輪、細(xì)砂輪磨平，經(jīng)拋光粗糙度控制在Ra0.04以下。在電子顯微鏡放大200倍條件下，X80管線鋼試樣任意取得的4個(gè)不同位置截面顯微組織形態(tài)金相圖如圖1所示。

圖1 X80管線鋼試樣不同位置截面微觀組織Fig.1 Microstructure of X80 pipeline steel specimens on different sections

從圖1中可以看出，X80管線鋼試樣的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成，晶粒大小比較均勻，符合管線鋼組織結(jié)構(gòu)的要求。根據(jù)圖像分析，珠光體為12.45%，鐵素體為87.55%，珠光體平均直徑約為64 μm。較一般鐵磁材料而言，X80管線鋼的珠光體含量高，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和硬度也高，但其導(dǎo)磁性比一般鐵磁材料低。

1.3 X80管線鋼磁化曲線

管線鋼的生產(chǎn)工藝、組成成分、組織結(jié)構(gòu)等與一般鐵磁材料有區(qū)別，其磁性也與純鐵等普通鐵磁材料有區(qū)別。本文通過測(cè)試1#、2#、3#、4#X80管線鋼的磁化曲線，研究其主要特征和影響因素。磁化曲線測(cè)試設(shè)備采用美國(guó)量子科學(xué)儀器(Quantum Design)公司的SQUID-VSM磁性測(cè)量系統(tǒng)，其工作參數(shù)見表2。

表2 磁性測(cè)量系統(tǒng)工作參數(shù)Tab.2 Parameters of magnetic measuring system

試驗(yàn)中，通過在常溫下，以100 Oe/s的速率加載磁場(chǎng)，得出磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后反算出B-H關(guān)系曲線。選擇高斯單位制，磁矩M的單位為emu(1 emu=10-3A·m2)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位為Oe(1 Oe=10-4T)，試件磁化強(qiáng)度等于試件磁矩與體積的比值。數(shù)據(jù)處理過程中，通過轉(zhuǎn)換單位，把H-M轉(zhuǎn)換為B-H關(guān)系曲線。本試驗(yàn)主要通過磁化曲線分析X80管線鋼磁特性，測(cè)試在常溫環(huán)境下進(jìn)行，不考慮環(huán)境溫度變化對(duì)磁化曲線的影響，測(cè)試所得出的X80管線鋼典型磁化曲線如圖2所示，其磁化曲線的形狀和其他鐵磁材料相近。

圖2 X80管線鋼試樣磁化曲線Fig.2 Magnetization curve of X80 pipeline steel specimen

從圖2的磁化曲線可以看出，X80管線鋼磁化曲線的特征參數(shù)飽和磁化強(qiáng)度Ms為1.5 A·m2，當(dāng)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～0.25 T時(shí)，勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度呈線性關(guān)系；當(dāng)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25～0.5 T時(shí)，磁化強(qiáng)度增加緩慢；當(dāng)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度超過0.5 T，磁化強(qiáng)度基本不再隨著勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加。在利用磁力耦合效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)時(shí)，磁化曲線的特征參數(shù)是確定技術(shù)磁化參數(shù)的重要依據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定X80管線鋼的技術(shù)磁化參數(shù)，飽和磁化強(qiáng)度Ms為1.5 A·m2，取平均場(chǎng)相鄰磁疇之間的耦合系數(shù)為0.001，比例常數(shù)c為0.01，磁化曲線修正變量k為1 265 A/m，磁化曲線的測(cè)定為勵(lì)磁裝置的線圈提供了參考依據(jù)。

2 磁力耦合應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

2.1 基本原理

鐵磁材料應(yīng)力的變化能夠引起磁疇結(jié)構(gòu)的改變，使磁感應(yīng)參量發(fā)生改變，在被測(cè)試件受力過程中，通過測(cè)量其對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)參量可以得出應(yīng)力的情況。X80管線鋼屬于多晶體鐵磁材料，在受到應(yīng)力和外磁場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)，表征磁特性的參量磁導(dǎo)率也隨之變化，圓棒試樣受到軸向應(yīng)力(拉力或壓力)時(shí)，其軸向發(fā)生變形，使其磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，根據(jù)Joule效應(yīng)，可知：

(1)

式中：l為圓棒試樣的原長(zhǎng)；Δl為圓棒試樣變形量；λs為軸向形變常數(shù)；Ms為飽和磁化強(qiáng)度；Ku為單軸磁各向異性常數(shù)；ΔM為磁化強(qiáng)度的變化值；θ0為磁場(chǎng)與易磁化軸間的角度。

通常，磁化強(qiáng)度隨著磁導(dǎo)率的變化而變化，根據(jù)鐵磁材料的磁化理論，可知：

ΔM=Δ[(μ-μ0)H]。

(2)

式中：μ為鐵磁材料的磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。在恒定磁場(chǎng)作用下，即當(dāng)H不變時(shí)，有

ΔM=ΔμH。

(3)

根據(jù)材料力學(xué)的胡克定律，

(4)

式中：E為鐵磁材料的彈性模量。由式(1)—(4)可得：

(5)

磁導(dǎo)率可由磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通量密度B來描述：

B/H=Δμ。

(6)

由圖4的磁化曲線可知，磁導(dǎo)率并不是磁化曲線的斜率，它表示B和H的比值。將式(6)代入式(5)可得：

(7)

式(7)表達(dá)了在磁場(chǎng)作用下鐵磁材料試樣的應(yīng)力與感應(yīng)磁通量之間的關(guān)系。在應(yīng)用中，取磁場(chǎng)與易磁化軸間的角度θ0=45°，X80管線鋼彈性模量E=190 GPa，取飽和磁致伸縮系數(shù)λs=-4.4×10-6，單軸磁各向異性常數(shù)Ku=7×104Pa，飽和磁化強(qiáng)度Ms=1.7 A·m2。因此，可以通過加磁加載試驗(yàn)，建立X80管線鋼的應(yīng)力-磁通量模型。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)力-磁通量應(yīng)力檢測(cè)的模型以仿真試驗(yàn)為主，本文在此基礎(chǔ)上，以X80管線鋼為試樣，研發(fā)基于應(yīng)力-感應(yīng)磁通量耦合模型的應(yīng)力檢測(cè)方法。

2.2 磁力耦合應(yīng)力檢測(cè)方法及試驗(yàn)系統(tǒng)

本文研究的應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁裝置、磁感應(yīng)測(cè)量裝置、加載試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集程序等4個(gè)部分。整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

拉伸試驗(yàn)均采用Φ12.5 mm的試樣，根據(jù)X80管線鋼圓棒試樣，設(shè)計(jì)了勵(lì)磁線圈，采用直流電源給勵(lì)磁線圈通電，達(dá)到試樣技術(shù)磁化的要求。采用自主研發(fā)的感應(yīng)線圈測(cè)量試樣的感應(yīng)磁通量，采用TD8900磁通計(jì)進(jìn)行磁通量的數(shù)據(jù)采集。勵(lì)磁線圈和磁感應(yīng)測(cè)量線圈組成磁力耦合應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)的探頭，本文采用套筒式磁性探頭，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的方法確定勵(lì)磁線圈和測(cè)量線圈的參數(shù)，加載系統(tǒng)采用WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)量精度為0.5，測(cè)量范圍：0～1 000 kN。為減少溫度、濕度、外界磁場(chǎng)干擾條件等不同環(huán)境條件的影響，利用高磁導(dǎo)材料的低磁阻性引導(dǎo)磁場(chǎng)分路的原理進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，選擇在弱磁場(chǎng)下具有極高磁導(dǎo)率的鐵鎳系軟磁合金作為屏蔽材料，制作屏蔽箱進(jìn)行屏磁。

圖3 應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Stress testing system

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用本文研發(fā)的磁力耦合應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)X80管線鋼進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)研究，對(duì)表1所列的4組試驗(yàn)試樣分別受拉、受壓時(shí)的磁力耦合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。具體的試驗(yàn)工況見表3。

表3 X80管線鋼試樣應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)工況Tab.3 Test conditions for stress detection of X80 pipeline steel samples

3.1 受拉試樣的磁力耦合試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，首先制作1#和2#受拉試驗(yàn)試樣，受拉試樣長(zhǎng)度為400 mm，進(jìn)行均勻拉伸，加荷速率為3.5 kN/s，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度控制在(23±5) ℃，不考慮溫度變化對(duì)試樣磁力學(xué)指標(biāo)的影響。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，對(duì)勵(lì)磁線圈施加直流電源電壓為12 V時(shí)，試驗(yàn)試樣達(dá)到技術(shù)磁化飽和狀態(tài)。圖4給出了受拉試樣的磁通量-應(yīng)力關(guān)系曲線。

從圖4可以看出：在技術(shù)磁化達(dá)到飽和后，測(cè)量線圈的感應(yīng)磁通量為0.7 mWb，隨著受拉試樣拉應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力使磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生磁化強(qiáng)度方向的轉(zhuǎn)變，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，忽略試樣截面面積的變化，感應(yīng)磁通量也隨著增大，在拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度前，基本上呈線性關(guān)系。在相同的條件下，1#和2#試件的感應(yīng)磁通量-應(yīng)力關(guān)系吻合較好，在應(yīng)力為480 MPa時(shí)，測(cè)得的感應(yīng)磁通量最大誤差為5.6%，可以滿足一般工程的技術(shù)要求，同時(shí)也說明本文根據(jù)磁力耦合理論研發(fā)的應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試受拉試件具有一定的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 受拉試件感應(yīng)磁通量-應(yīng)力關(guān)系Fig.4 Relationships between induced magnetic flux and stress of tension specimens

3.2 受壓試樣的磁力耦合試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，首先制作3#和4#受壓試驗(yàn)試樣，受壓試樣長(zhǎng)度為200 mm，進(jìn)行均勻壓縮，加荷速率為2.5 kN/s，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度控制在(23±5)℃，不考慮溫度變化對(duì)試樣磁力學(xué)指標(biāo)的影響，技術(shù)磁化的電源選用12 V直流電源。圖5分別給出了3#試件和4#試件的磁通量-應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖5 受壓試件感應(yīng)磁通量-應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relationships between induced magnetic flux and stress of compressed specimens

從圖5可以看出：為盡可能確保試件壓應(yīng)力的均勻，選用的試件長(zhǎng)度是受拉試件的1/2，加荷至試件應(yīng)力為-200 MPa。在技術(shù)磁化達(dá)到飽和后，測(cè)量線圈的感應(yīng)磁通量為0.7 mWb，在逐漸增大的壓應(yīng)力作用下，試件磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沿壓應(yīng)力垂直方向排列的趨勢(shì)，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，忽略試件截面面積的變化，感應(yīng)磁通量也隨之減小，但減小的速度明顯低于受拉試件，在線彈性范圍內(nèi)，基本上呈線性關(guān)系。在相同的條件下，3#和4#試件的感應(yīng)磁通量-應(yīng)力關(guān)系吻合較好，在壓應(yīng)力為-140 MPa時(shí)，測(cè)得的感應(yīng)磁通量最大誤差為5.5%，可以滿足一般工程的技術(shù)要求，和受拉試件測(cè)試結(jié)果的誤差接近。

在磁場(chǎng)作用下，管線鋼試樣的磁疇結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生了變化，拉應(yīng)力使磁疇結(jié)構(gòu)與磁化方向趨于一致，感應(yīng)磁通量增大，壓應(yīng)力使磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生與磁化方向垂直的運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)磁通量減小。通過受壓和受拉試件的測(cè)試結(jié)果分析，說明本文的磁力耦合應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)在管線鋼線彈性范圍內(nèi)能夠有效地在線檢測(cè)受力試件的實(shí)時(shí)應(yīng)力。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)試件被技術(shù)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)試件施加拉/壓均勻荷載，在拉/壓應(yīng)力的作用下，磁疇結(jié)構(gòu)的變化使試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)磁通量發(fā)生近似線性的變化，應(yīng)用這種線性關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管線鋼構(gòu)件的無損在線應(yīng)力檢測(cè)。

(2)在試件被技術(shù)磁化至飽和狀態(tài)下，感應(yīng)磁通量便于測(cè)量和分析，以感應(yīng)磁通量為參量，建立的磁力耦合本構(gòu)模型測(cè)量的最大誤差為5%左右，可以滿足工程要求。

(3)通過理論分析和試驗(yàn)研究，建立不同技術(shù)等級(jí)管線鋼的磁力學(xué)本構(gòu)模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)油氣輸送管道無損在線應(yīng)力檢測(cè)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。