蔣毅 李玉坤 董增瑞 吳濤 陳帥 王鄯堯 張潔 崔兆雪

1中國石油西南管道分公司技術(shù)中心

2中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院

隨著我國油氣管道大規(guī)模建設(shè)投運，管道網(wǎng)絡(luò)的運行安全問題愈加值得關(guān)注。油氣管道在長時間運行期間不可避免地會產(chǎn)生變形，進(jìn)而產(chǎn)生附加應(yīng)力，加劇應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中區(qū)域的存在會導(dǎo)致管道出現(xiàn)疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂等風(fēng)險，一旦發(fā)生事故，往往造成嚴(yán)重后果，不僅會導(dǎo)致油氣供運間斷，影響人們的生活，且由于管輸物質(zhì)的特殊性，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并伴隨著巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

對在役管道重要防護(hù)區(qū)域做定期的應(yīng)力檢測評估，是避免應(yīng)力集中引發(fā)管道安全事故的重要手段?，F(xiàn)行常用的管道無損檢測方法有管道渦流檢測、管道超聲波檢測、管道弱磁檢測（磁記憶檢測）和管道漏磁檢測，稱為四大常規(guī)檢測方法。其中超聲波檢測、磁記憶檢測及漏磁檢測主要用于管道的內(nèi)部缺陷檢測，渦流檢測主要用于探測管道的表面缺陷[1]。這些傳統(tǒng)常規(guī)方法主要是針對宏觀缺陷，都不能直接測得應(yīng)力數(shù)值，需要根據(jù)所測缺陷的形狀、大小來推算應(yīng)力，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性無法保證，不能對應(yīng)力集中這類內(nèi)損傷進(jìn)行有效檢測，難以實現(xiàn)對構(gòu)件內(nèi)損傷的早期診斷[2]，這給在役管道的安全評估工作帶來困難。目前國內(nèi)外在役管道檢測評價技術(shù)手段包括：①探測管壁（焊縫）缺陷類型、形狀與尺寸；②依據(jù)實際運行條件和管壁檢測后得到的缺陷形狀與尺寸，計算管道當(dāng)前的最大工作應(yīng)力σmax；③根據(jù)強(qiáng)度條件σmax≤[σ]（管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和材料力學(xué)），判斷被檢測管段是否安全。

先前采用理論公式計算最大工作應(yīng)力，因計算模型簡易，導(dǎo)致較大誤差；近年來多采用有限元數(shù)值仿真進(jìn)行模擬計算，但由于部分邊界條件的模糊性，大量計算實踐表明其結(jié)果精度仍不高，可采信程度較低。

油氣管道通常選用高強(qiáng)鋼等鐵磁性材料制作，X60、X70、X80 鋼為常用管材。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，基于鐵磁性材料所特有的磁物理屬性，外加應(yīng)力能夠引起材料磁化曲線的變化，由此提出了一種新型無損檢測方法，即磁力耦合法，該方法利用材料磁性特征同應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系來測定其內(nèi)部的應(yīng)力大小及方向。磁性特征參數(shù)對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及微觀組織變化極其敏感，對于鐵磁性金屬材料而言，從初始狀態(tài)到疲勞斷裂，矯頑力值增長了2～3 倍[3]。

鐵磁性材料的主要磁性參數(shù)包括矯頑力、剩磁、磁導(dǎo)率等，這些參數(shù)都可在材料的磁滯回線中獲得。磁滯回線是描述材料磁感應(yīng)強(qiáng)度和外加磁場強(qiáng)度關(guān)系的曲線，不同材料都有其特定的磁滯規(guī)律，這種規(guī)律主要取決于材料成分、結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)。有研究表明，材料磁特性（尤其是飽和磁場強(qiáng)度、剩磁和矯頑力）對應(yīng)力變化非常敏感，且磁特性參數(shù)對壓應(yīng)力的敏感度要高于拉應(yīng)力[4]。矯頑力常作為主要的磁參數(shù)研究對象，因其對材料位錯密度的變化最敏感，常與材料的機(jī)械性能參數(shù)呈線性關(guān)系[5]。因此，通過測量鐵磁性材料在不同受力狀態(tài)下的矯頑力值，建立應(yīng)力與材料矯頑力之間的數(shù)學(xué)量化模型，將成為磁力耦合應(yīng)力無損檢測技術(shù)的關(guān)鍵。本文基于常用管材X60 鋼進(jìn)行矯頑力與應(yīng)力關(guān)系的實驗研究，尋求二者間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為日后磁測應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于油氣管道工程領(lǐng)域進(jìn)行開創(chuàng)性探索。

1 磁力耦合機(jī)理

1.1 磁化基本理論

從微觀角度來看，鐵磁性材料的磁化機(jī)理可用磁疇理論進(jìn)行說明。從原子結(jié)構(gòu)解釋，鐵原子的最外層存在兩個電子，二者因電子自旋產(chǎn)生相互作用，這一相互作用的結(jié)果使得鐵原子的電子自旋磁矩在許多小區(qū)域內(nèi)整齊地排列起來，形成一個個微小的自發(fā)磁化區(qū)，以使能量達(dá)到最低，這些自發(fā)磁化區(qū)被稱作磁疇。疇壁作為相鄰磁疇不同磁化方向的過渡狹區(qū)而存在，疇壁的尺寸一般在微米級。

磁疇是鐵磁性材料的基本組成單元，磁疇和疇壁結(jié)構(gòu)的存在對材料的磁化過程有顯著影響。在無外磁場作用時，鐵磁性材料內(nèi)部磁疇的自發(fā)磁化取向各異，所有磁矩的矢量和為零，因此在宏觀上對外不顯示磁性。而在磁化過程中，外加磁場將這些取向各異的磁矩轉(zhuǎn)到與外磁場一致或接近的方向，磁疇磁矩因趨于與外磁場同向而對外顯強(qiáng)磁性，材料被磁化[6]。

鐵磁性材料的磁化方式包括兩個方面：疇壁移動和磁矩轉(zhuǎn)動。任何鐵磁性材料的磁化，都是通過這兩種方式來實現(xiàn)的，至于這兩種方式的先后次序，則需看具體情況而定。如在磁化的第一階段中，大多數(shù)磁性材料主要進(jìn)行疇壁的可逆移動，但是在有些磁導(dǎo)率不高的鐵氧體中，在這個階段則主要發(fā)生磁疇磁矩的可逆移動[7]。隨著外磁場的增強(qiáng)，材料內(nèi)部先后進(jìn)行疇壁可逆移動、疇壁不可逆移動和磁疇磁矩轉(zhuǎn)動，當(dāng)材料內(nèi)部所有的磁疇磁矩都轉(zhuǎn)為同外磁場方向一致時，材料達(dá)到磁化飽和狀態(tài)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大值。此后，若減小外磁場強(qiáng)度，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度不沿原磁化路徑減小，而具有滯后性，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象源于材料磁化時內(nèi)部疇壁移動和磁疇磁矩轉(zhuǎn)動的不可逆過程，當(dāng)磁場強(qiáng)度減為零時，磁感應(yīng)強(qiáng)度不為零，此時的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁(Br)。繼續(xù)施加反向磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度會繼續(xù)減小，當(dāng)反向磁場達(dá)到一定值時，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度減為零，此時施加的反向磁場強(qiáng)度稱為該鐵磁性材料的矯頑力(Hc)，表征材料被飽和磁化后維持原有磁化狀態(tài)的能力。剩磁和矯頑力是尤為重要的磁特性參數(shù)，它們顯示了材料磁化性能的實時動態(tài)。材料磁化過程及磁滯回線示意圖如圖1 所示。

圖1 飽和磁化過程及磁滯回線Fig.1 Saturation magnetization process and hysteresis loop

1.2 磁力效應(yīng)

1842 年，焦耳發(fā)現(xiàn)磁場的變化會導(dǎo)致磁化材料尺寸改變，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)或焦耳效應(yīng)；與其效果相反，機(jī)械應(yīng)力引起材料磁性變化的現(xiàn)象稱為逆磁致伸縮效應(yīng)或維拉里效應(yīng)[8]。從能量角度解釋：鐵磁性材料在外加磁場或外加應(yīng)力作用下，為滿足能量最低原則，磁晶內(nèi)部磁疇將不斷向外加磁場或外加應(yīng)力方向發(fā)生疇壁位移和磁矩轉(zhuǎn)動，以增加磁彈性能的方式來抵消外磁場能或應(yīng)力能的增加[9]?？梢?，外加磁場和外加應(yīng)力對鐵磁性材料的作用近似等效，它們都改變了材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)，使原本自由排列的磁疇磁矩有了特定的取向轉(zhuǎn)變，從而顯現(xiàn)出與外磁場或外應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的磁性能變化。

鐵磁性材料的這種磁性能與應(yīng)力狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)的磁力效應(yīng)是磁測應(yīng)力技術(shù)的理論基礎(chǔ)，應(yīng)力引起材料磁性的變化規(guī)律是該技術(shù)的核心。矯頑力作為鐵磁材料最重要的磁特性參數(shù)之一成為研究重點，矯頑力與應(yīng)力間的量化耦合關(guān)系可通過實驗探究而得出。

2 矯頑力測量原理

矯頑力、剩磁等磁性參數(shù)通常從材料的磁滯回線中獲取，磁滯回線是描述材料磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場強(qiáng)度H變化而變化的關(guān)系曲線，其特點為材料磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于外磁場強(qiáng)度的變化。磁滯回線的測量方法可分為靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法，二者測量方式類似，都是應(yīng)用安培環(huán)路定則，通過勵磁線圈對試件施加變化的外磁場，同時采用感應(yīng)線圈測取感生電壓信號。勵磁電流和感生電壓分別與外磁場強(qiáng)度和材料磁感應(yīng)強(qiáng)度有一定的量化關(guān)系，磁場強(qiáng)度正比于流過勵磁線圈的電流強(qiáng)度，感應(yīng)電壓與磁通量的微分呈正比關(guān)系。對感應(yīng)電壓進(jìn)行積分，并對激勵電流與感應(yīng)積分電壓雙路同步采集，即可得到磁滯回線[10]。

靜態(tài)測量法以直流電流勵磁，通過控制勵磁線圈中直流電流的緩慢升降來磁化被測材料，磁化過程中，不考慮從一個磁化狀態(tài)過渡到另一個磁化狀態(tài)所需要的時間，只關(guān)心材料在該穩(wěn)恒狀態(tài)下所表現(xiàn)出來的磁性能，即磁感應(yīng)強(qiáng)度對磁場強(qiáng)度的依存關(guān)系[11]。靜態(tài)測量法能夠清楚地得到材料的初始磁化曲線，易于判斷磁化是否達(dá)到飽和。動態(tài)測量法以交流電流勵磁，通過調(diào)節(jié)交流電流波形、頻率和幅值來改變外加磁場形式，磁化過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨外加磁場強(qiáng)度周期性變化，變化一周二者所構(gòu)成的磁滯回線也稱為交流回線。當(dāng)交流幅值磁場強(qiáng)度增大到飽和磁場強(qiáng)度時，交流回線的面積不再增加，此時的交流回線稱為極限交流回線，可從中得到材料的飽和磁滯參數(shù)[11]。由于動態(tài)測量的勵磁頻率遠(yuǎn)高于靜態(tài)測量，材料初始磁化曲線難以顯現(xiàn)，以回線面積作為參考難以直觀準(zhǔn)確地判斷磁化是否飽和，因此，測取材料的飽和磁滯參數(shù)一般采用靜態(tài)測量法。

靜態(tài)測量法的優(yōu)勢在于更容易實現(xiàn)鐵磁材料的飽和磁化，但因其外加磁場變化緩慢，時刻處于準(zhǔn)靜態(tài)變化過程，感應(yīng)線圈中得到的感應(yīng)電壓信號十分微弱，測量處理難度較大；而動態(tài)測量法的優(yōu)勢在于外加磁場變化頻率較高，感應(yīng)電壓信號較強(qiáng)，更易于精準(zhǔn)測量，但難以實現(xiàn)材料的飽和磁化，獲得飽和磁滯參數(shù)。為實現(xiàn)飽和磁化以保證矯頑力測量效果，實驗中采用靜態(tài)測量法，以線性變化的直流電流勵磁，使X60 鋼試件達(dá)到磁化飽和條件，獲取其飽和磁滯回線，得到材料飽和磁化狀態(tài)下的矯頑力。

基于磁力效應(yīng)原理探測材料內(nèi)應(yīng)力時，在實際測量過程中通常是將勵磁線圈與感應(yīng)線圈直接纏繞到受拉（壓）應(yīng)力作用的閉合磁路的試樣上，由勵磁線圈中的電流值和感應(yīng)線圈的電壓值即可得到不同應(yīng)力條件下該材料的磁滯回線，由此可確定該材料磁性參數(shù)與外應(yīng)力之間的關(guān)系[12]。基于工程實際，工作狀態(tài)下的鐵磁性構(gòu)件（如管道）往往尺寸較大，形狀各異，一般采用U 形磁軛緊貼在構(gòu)件表面，與構(gòu)件檢測部位形成閉合磁路，勵磁線圈和感應(yīng)線圈繞制于磁軛之上，測得的磁滯參數(shù)（矯頑力）為整個磁回路的有效值。

3 矯頑力與應(yīng)力關(guān)系實驗

3.1 測量探頭設(shè)計

設(shè)計制作了多種不同材質(zhì)、尺寸的U 形測量探頭，探頭實物如圖2 所示。實驗采用U 形硅鋼探頭進(jìn)行矯頑力測量，硅鋼是常用的軟磁材料，具備飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、矯頑力小、初始磁導(dǎo)率高、低磁致伸縮等優(yōu)良特性，適合在低頻、大功率條件下使用。所用硅鋼探頭由硅鋼片卷疊軋制而成，片間空隙可忽略，這樣雖然使功率損耗明顯增大，但保證了磁化過程的穩(wěn)定性，提高了矯頑力測量效果。硅鋼探頭長57 mm，高48 mm，截面尺寸32 mm×16 mm，截面積512 mm2，構(gòu)成的磁回路平均長度約為180 mm。勵磁和感應(yīng)線圈繞制于探頭塑料支架上，為產(chǎn)生足夠大的磁場，需要通入較大的勵磁電流。因此，勵磁線圈采用0.90 mm 線徑的銅芯漆包線繞制90 匝，為達(dá)到均勻磁化的效果，勵磁和感應(yīng)線圈均勻分布于探頭的三邊，且感應(yīng)線圈纏繞于內(nèi)側(cè)，貼近探頭表面，以增強(qiáng)其電磁感應(yīng)效果，勵磁線圈纏繞于外側(cè)，避免對感應(yīng)信號測量造成干擾。

圖2 U 形測量探頭Fig.2 U-shaped measuring probe

根據(jù)安培環(huán)路定則，勵磁線圈產(chǎn)生的外加磁場強(qiáng)度H為

式中：N1為勵磁線圈的纏繞匝數(shù)；I為勵磁電流的瞬時值；L為測量磁回路的平均長度。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感生電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的量化關(guān)系為

式中：N2為感應(yīng)線圈的纏繞匝數(shù)；S為探頭截面積。

實驗測量裝置中，勵磁線圈與2 Ω、50 W 的大功率電阻串聯(lián)，以測量激勵電流，從而得出外加磁場強(qiáng)度H的動態(tài)變化；感應(yīng)線圈測量感生電壓信號，并通過積分電路得出材料磁感應(yīng)強(qiáng)度B的動態(tài)變化。根據(jù)二者的測量結(jié)果，能夠獲取材料的飽和磁滯回線數(shù)據(jù)，經(jīng)程序計算最終完成矯頑力值的測量。

3.2 勵磁電流信號

實驗采用靜態(tài)測量法測量X60 鋼試件在不同應(yīng)力狀態(tài)下的矯頑力值，勵磁電流為直流電流，電流值通過可編程恒流源進(jìn)行設(shè)置調(diào)控，經(jīng)不斷優(yōu)化調(diào)試，最終采用的勵磁電流信號形式如圖3 所示。

圖3 勵磁電流及感應(yīng)電流示意圖Fig.3 Schematic diagram of excitation current and induced current

勵磁電流信號設(shè)計綜合考慮了電路的可實現(xiàn)性、測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及飽和磁化的穩(wěn)定性，經(jīng)實驗證實該直流勵磁方案能夠達(dá)到較為理想的矯頑力測量效果。

3.3 測量系統(tǒng)及實驗平臺

設(shè)計組裝了實驗用矯頑力測量裝置，該裝置主要由可編程恒流源、集成檢測電路板、U 形測量探頭、DS1052E 型數(shù)字示波器四部分組成。測量過程中，采用示波器XY 模式雙路測試，可直接顯示磁滯回線并保存測量數(shù)據(jù)，利用自主編制的計算程序由磁滯回線數(shù)據(jù)可計算矯頑力值。設(shè)計并搭建了雙向拉伸加載實驗平臺，利用該實驗平臺進(jìn)行X60鋼板單向拉伸測試實驗。加載過程中，采用YE2538A 型程控靜態(tài)應(yīng)變儀完成試件應(yīng)變量測量，由材料機(jī)械性能參數(shù)可計算具體的應(yīng)力值。雙向拉伸加載實驗平臺如圖4 所示。

圖4 雙向拉伸加載實驗平臺Fig.4 Biaxial tensile loading experimental platform

3.4 不同載荷下X60 鋼矯頑力測量

開展不同載荷下X60 鋼矯頑力測量實驗，對X60 鋼標(biāo)準(zhǔn)試件做表面處理后貼應(yīng)變片，將探頭沿著拉力和垂直于拉力方向置于試件表面，以應(yīng)變作為控制參數(shù)，利用液壓油缸緩慢進(jìn)行X60 鋼板拉伸加載，待鋼板受力穩(wěn)定時，記錄應(yīng)變數(shù)值并保存示波器測量數(shù)據(jù)，完成不同應(yīng)力狀態(tài)下鋼板磁滯回線數(shù)據(jù)的測量，實驗測量過程如圖5 所示。

圖5 矯頑力與應(yīng)力關(guān)系測量Fig.5 Relationship measurement between coercivity and stress

將獲取的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，用編制好的程序進(jìn)行矯頑力計算，同時由材料應(yīng)變計算得出其應(yīng)力值，根據(jù)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系，繪制矯頑力與應(yīng)力的關(guān)系曲線。矯頑力隨應(yīng)力的變化如圖6 所示。

圖6 不同方向矯頑力變化規(guī)律Fig.6 Variation law of coercivity in different directions

由圖6 可知，在材料彈性范圍內(nèi)，隨拉應(yīng)力增大，平行于應(yīng)力方向所測矯頑力值變化很小，規(guī)律性差；垂直于應(yīng)力方向所測矯頑力值線性增大，規(guī)律性好。

4 結(jié)論與展望

本文在研究磁力效應(yīng)理論基礎(chǔ)上，開展了X60鋼矯頑力與應(yīng)力關(guān)系的實驗研究，得到如下結(jié)論：在X60 鋼彈性范圍內(nèi)，隨拉應(yīng)力增大，垂直于拉伸方向矯頑力值線性增大，且線性度良好；平行于拉伸方向矯頑力值變化不顯著，總體趨勢略有減小。實驗結(jié)果證實：矯頑力值不僅可以表征材料內(nèi)部的應(yīng)力大小，也能反映應(yīng)力方向，基于矯頑力的磁力耦合應(yīng)力無損測量方法具有可行性，這為運行中油氣管道應(yīng)力的高效測量提供了良好的技術(shù)支撐，該測量方法具有極大的開發(fā)潛力和工程應(yīng)用價值。

為實現(xiàn)管道應(yīng)力測量技術(shù)應(yīng)用于工程實踐，未來仍有許多工作需要更加深入地研究和開展，包括：①對材料塑性階段的矯頑力變化規(guī)律實驗研究；②對不同管線鋼材的矯頑力與應(yīng)力數(shù)值關(guān)系標(biāo)定；③開展管道溫度、壁厚、防腐層厚度、焊縫等因素對矯頑力測量結(jié)果的敏感性研究，明確各因素對測量結(jié)果的影響規(guī)律，提出針對不同條件下的測量結(jié)果修正方法，完善管道矯頑力與應(yīng)力數(shù)學(xué)量化模型；④研發(fā)高效、專業(yè)化、可靠的基于矯頑力的管道應(yīng)力測量設(shè)備，適于管道現(xiàn)場應(yīng)用。