師學(xué)良 堯宗偉 陳雪峰 劉貴江 楊曉惠 劉艷軍 牟燕

1中石油管道有限責(zé)任公司西部塔里木輸油氣分公司

2西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

3中國(guó)石油華北油田公司二連分公司

油氣管道是保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和社會(huì)發(fā)展的生命線。但是由于特殊的支撐設(shè)計(jì)，施工過(guò)程中的操作不當(dāng)，運(yùn)行過(guò)程中的占?jí)菏┕?，地質(zhì)作用導(dǎo)致的石塊擠壓等，都可能造成管道表面產(chǎn)生壓應(yīng)力集中的接觸損傷區(qū)，加之腐蝕、內(nèi)壓和疲勞損傷，極有可能發(fā)展成為對(duì)管道極具威脅的安全隱患[1-3]。

金屬磁記憶檢測(cè)是一種用于缺陷早期診斷的新型無(wú)損檢測(cè)方法，可以通過(guò)檢測(cè)鐵磁性材料表面的磁場(chǎng)信號(hào)變化來(lái)判斷損傷位置和程度[4-5]。金寶[6]研究了X52 管線鋼在不同拉伸載荷下發(fā)生塑性變形損傷時(shí)的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律；李云飛等[7-8]研究了X80 管線鋼試件在穿孔、半穿孔、切槽等不同機(jī)械損傷情況下的磁記憶信號(hào)特征；劉文貞等[9]對(duì)預(yù)制缺口的X80 管線鋼進(jìn)行了疲勞損傷的磁記憶檢測(cè)研究；樊建春等[10-11]采用磁記憶檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了連續(xù)油管的刻傷試驗(yàn)研究；姚凱等[12]研究了45#鋼在接觸試驗(yàn)中的漏磁信號(hào)特征。上述研究結(jié)果表明：金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)能有效表征磁信號(hào)與應(yīng)力和缺陷之間的關(guān)系，但是誘發(fā)磁場(chǎng)和損傷程度的定量關(guān)系還需要大量深入的研究工作。

綜合上述情況，本文對(duì)X52 管線鋼進(jìn)行了不同載荷強(qiáng)度的接觸加載試驗(yàn)。研究了接觸損傷對(duì)磁記憶信號(hào)的影響規(guī)律，并與單純的摩擦損傷進(jìn)行了對(duì)比分析；初步建立了X52 管線鋼接觸損傷與磁記憶信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為磁記憶檢測(cè)技術(shù)在油氣管道無(wú)損定量評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用油氣管道常用的X52 管線鋼為研究對(duì)象，其化學(xué)成分如表1 所示。材料的抗拉強(qiáng)度550 MPa，屈服強(qiáng)度402 MPa。根據(jù)GB/T 228.1—2010將其加工成標(biāo)準(zhǔn)板狀試樣，如圖1 所示。為減少測(cè)量路徑和提離值對(duì)金屬磁記憶信號(hào)的影響，在標(biāo)準(zhǔn)板狀試樣上布置限位塊和掃描線。

表1 X52 管線鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of X52 pipeline steel 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

圖1 試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen

1.2 試驗(yàn)方案

為避免試樣在加工過(guò)程中造成的應(yīng)力集中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，采用TC-3 臺(tái)式退磁器對(duì)試件進(jìn)行退磁處理。接觸加載試驗(yàn)在CMT4304 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分別采用了球形和圓柱形兩種鐵磁性材料的壓頭。為了進(jìn)行對(duì)比分析，采用銼刀打磨的方式，加工了缺陷尺寸相同的摩擦損傷試件。采用TSC-2M-8 應(yīng)力集中檢測(cè)儀進(jìn)行磁記憶信號(hào)檢測(cè)，測(cè)試方向和地磁南北極方向垂直，測(cè)試提離值保持2 mm 不變。試驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式，在試件的幾何中心進(jìn)行施載，達(dá)到預(yù)定值后，保載10 s再取下試件，進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 載荷對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

分別對(duì)加載至0、20、30、40、50 kN 的試件進(jìn)行卸載狀態(tài)的磁記憶測(cè)量，其磁記憶信號(hào)的法向分量H(y)和切向分量H(x)沿掃描跡線的分布狀態(tài)如圖2 所示。由于試驗(yàn)前對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行過(guò)退磁處理，所以F=0 時(shí)法向和切向分布曲線都較為平坦，其數(shù)值表明了測(cè)試環(huán)境的磁場(chǎng)情況。隨著載荷的增加，在試件接觸點(diǎn)Lx=0 mm 附近磁記憶信號(hào)都出現(xiàn)了明顯的變化：法向分量H(y)在沿x軸正負(fù)方向出現(xiàn)明顯的峰谷變化，曲線在接觸點(diǎn)處過(guò)零點(diǎn)，且載荷越大峰谷的差值也越大；切向分量H(x)在接觸點(diǎn)附近出現(xiàn)極值，載荷增加極值增大。實(shí)驗(yàn)加載完畢后，試件在受壓部位出現(xiàn)一個(gè)凹槽，說(shuō)明在壓應(yīng)力集中部位出現(xiàn)了塑性變形，并且產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)損傷。

圖2 不同載荷時(shí)磁記憶信號(hào)分布曲線Fig.2 Distribution curves of magnetic memory signal under different loads

通過(guò)將磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)Lx求導(dǎo)，獲得了磁記憶信號(hào)沿掃描跡線方向的變化梯度，如圖3 所示。從圖3 可以看出，當(dāng)材料在接觸區(qū)附近產(chǎn)生壓應(yīng)力集中時(shí)，法向分量的梯度值dH(y)/dLx出現(xiàn)極值，同時(shí)切向分量的梯度值dH(x)/dLx出現(xiàn)峰-峰值變化并在接觸區(qū)中心過(guò)零點(diǎn)。

圖3 不同載荷時(shí)磁記憶信號(hào)梯度分布曲線Fig.3 Gradient distribution curves of magnetic memory signal under different loads

2.2 缺陷成因?qū)Υ庞洃浶盘?hào)的影響

鐵磁性材料常見(jiàn)的表面缺陷主要是由于擠壓、磨損或腐蝕等原因造成的。為了比較接觸應(yīng)力造成的擠壓損傷和單純的表面摩擦損傷引起的磁記憶信號(hào)差異，分別采用圓柱形壓頭接觸加載和人工打磨的方式，加工出尺寸（約20 mm×0.8 mm×0.8 mm）相同的凹坑缺陷，并對(duì)其進(jìn)行了磁記憶信號(hào)檢測(cè)。從圖4 可以看出，兩種缺陷引起的磁記憶信號(hào)變化特征一致，即在損傷處法向分量過(guò)零點(diǎn)，切向分量出現(xiàn)極值；其對(duì)應(yīng)的梯度變化規(guī)律也相同（圖5）。雖然兩種缺陷的外觀尺寸大致相同，但是由接觸加載所造成的擠壓損傷對(duì)磁記憶信號(hào)的影響遠(yuǎn)大于表面摩擦損傷。這一特征首先排除了測(cè)試探頭在缺陷處提離值的變化對(duì)磁記憶信號(hào)的影響；其次，有力地證明了由接觸加載造成的應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)大于表面金屬損失而引起的應(yīng)力分布變化，說(shuō)明接觸損傷可能造成更大的危害。

3 法向磁記憶信號(hào)的參數(shù)化分析

圖4 不同缺陷成因的磁記憶信號(hào)分布曲線Fig.4 Distribution curves of magnetic memory signal for different defect causes

圖5 不同缺陷成因的磁記憶信號(hào)梯度分布曲線Fig.5 Gradient distribution curves of magnetic memory signal for different defect causes

圖6 特征參數(shù)分布圖Fig.6 Distribution map of characteristic parameter

根據(jù)接觸壓載作用下試樣磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律可知，隨著接觸載荷的增大，法向分量H(y)的峰谷值差增大，切向分量H(x)的極值增加。為了進(jìn)一步探索接觸損傷量化分析方法，在法向磁記憶信號(hào)的變化特征基礎(chǔ)上，分別定義峰-谷值差為參數(shù)，以評(píng)價(jià)接觸損傷的程度；峰-谷水平間距為，以評(píng)價(jià)接觸損傷范圍。隨接觸載荷F的變化趨勢(shì)如圖6 所示。隨著壓載的增加，試件在接觸區(qū)形成的凹坑深度增加，損傷程度增大，法向磁記憶信號(hào)峰-谷值差隨之線性增加；同時(shí)，試件的損傷影響范圍增大，法向磁記憶信號(hào)的水平間距也線性增加。研究結(jié)果表明，利用以上參數(shù)來(lái)定量分析接觸損傷的嚴(yán)重程度和影響范圍是可行的。

4 結(jié)論

（1）對(duì)X52 管線鋼的接觸損傷進(jìn)行了磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明磁記憶檢測(cè)信號(hào)能夠很好地表征材料損傷缺陷的尺寸、位置及受力信息，利用磁記憶檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)υ谝酃艿肋M(jìn)行損傷檢測(cè)。

（2）接觸損傷引起壓應(yīng)力集中，其磁記憶信號(hào)的法向分量H(y)在接觸點(diǎn)過(guò)零點(diǎn)，梯度值出現(xiàn)極值；切向分量H(x)在接觸點(diǎn)出現(xiàn)極值，梯度值過(guò)零點(diǎn)。

（3）相同缺陷尺寸下，接觸加載造成的應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)大于表面金屬損失引起的應(yīng)力分布變化，其磁記憶信號(hào)的變化程度也更大。