姚立東，王偉

（安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院，安徽 合肥 230051）

0 引言

在地磁場(chǎng)環(huán)境和工作載荷共同作用下，鐵磁性材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生磁致伸縮變化，導(dǎo)致磁疇組織發(fā)生不可逆的變化。其外在表現(xiàn)為鐵磁性材料存在應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)的大小可以通過(guò)漏磁場(chǎng)Hp的變化表示。在取消工作載荷后，鐵磁性材料的磁化狀態(tài)得以保留，這就是磁記憶現(xiàn)象。本研究通過(guò)對(duì)壓力管道焊縫施加不同程度的交變載荷，分析其信號(hào)的特征值。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備和傳感器

為表征交變載荷作用下壓力管道焊縫漏磁場(chǎng)，本文采用的是俄羅斯動(dòng)力診斷公司的TSC-4 M-16應(yīng)力集中診斷儀，使用TSC-4 M-16可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和初步分析。

TSC-4 M-16主要性能如下：

（1）通道Hp測(cè)量范圍：±2 000 A/m；（2）Hp 測(cè)量通道數(shù)：16 通道；（3）基本相對(duì)誤差：± 5%；（4）最小測(cè)量步長(zhǎng)：1 mm；（5）最大測(cè)量步長(zhǎng)：128 mm；（6）長(zhǎng)度絕對(duì)誤差：±1 步長(zhǎng)；（7）最大掃描速度：0.5 m/s；

傳感器采用1-8 M掃描裝置，1-8 М型掃描裝置是8通道接觸式焊縫檢測(cè)掃描裝置，常用在對(duì)管道、焊縫、容器、平板等工件的應(yīng)力集中的局部快速掃查。傳感器可根據(jù)管道焊縫的形狀調(diào)節(jié)，集成有4個(gè)輪子的計(jì)數(shù)器，用以記錄檢測(cè)長(zhǎng)度，同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)的兩個(gè)磁場(chǎng)分量可以采集到更全面的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，傳感器調(diào)節(jié)至與管道焊縫貼合，較少提離效應(yīng)的影響，使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)款速掃查[1-2]。

1.1 試件

試驗(yàn)管道材質(zhì)為20鋼，采用V型坡口，焊接方法為氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面，余高磨平，焊接后通過(guò)X射線檢測(cè)，確保其無(wú)裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、夾渣等結(jié)構(gòu)性缺陷，并對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，消除其殘余應(yīng)力，試驗(yàn)管道規(guī)格、數(shù)量如表1所示。

表1 試塊參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)管道施加交變載荷，用以模擬實(shí)際工況下管道承受的交變載荷，分別對(duì)每組管道施加5 000次/分鐘 的交變載荷，試驗(yàn)開(kāi)始前采集未施加交變載荷的管道焊縫磁記憶信號(hào)，之后每施加5 min交變載荷后對(duì)管道進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集。磁記憶檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)采集過(guò)程：將1～8 M掃描裝置與TSC-4 M-16應(yīng)力集中診斷儀相連，按設(shè)備說(shuō)明書(shū)對(duì)設(shè)備和傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)置參數(shù)為默認(rèn)掃描參數(shù)，進(jìn)入掃描界面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，1～8 M掃描裝置置于焊縫上方，傳感器貼合焊縫，從12點(diǎn)鐘位置，沿著焊縫順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，掃描后對(duì)文件進(jìn)行存儲(chǔ)。

3 檢測(cè)信號(hào)處理

1960年，匈牙利數(shù)學(xué)家R.E.Kalman提出了一種卡爾曼自適應(yīng)算法，是一種解決線性濾波和預(yù)測(cè)問(wèn)題的新方法?？柭鼮V波器實(shí)際上是一種最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法(optimal recursive data processing algorithm)?？柭鼮V波器對(duì)每個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)擾動(dòng)和觀測(cè)誤差（即噪聲），只要對(duì)它們的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)作某些適當(dāng)?shù)募俣?，通過(guò)對(duì)含有噪聲的觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，就能在平均的意義上，求得最小誤差的真實(shí)信號(hào)估計(jì)值。卡爾曼濾波器被廣泛應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)融合、軍事方面的雷達(dá)和導(dǎo)彈系統(tǒng)以及圖像處理等領(lǐng)域[3-4]，其算法模型如下：

假設(shè)信號(hào)模型如公式（1）所示：

式 中： y(n)=k×1 是 在n時(shí) 刻 矢 量 信 號(hào) 的 狀 態(tài)；A(n? 1 )為k×k矩陣。

為了將前一刻的信號(hào)狀態(tài)與現(xiàn)在信號(hào)狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，也就是將y(n-1)和y(x)聯(lián)系起來(lái)。假設(shè)n-1時(shí)刻和n-1之前時(shí)刻所有觀察值y(n-1)的估計(jì)為(n? 1 |n?1 )。則y(n)進(jìn)一步預(yù)測(cè)估計(jì)如公式（2）所示：

由此，可以得到計(jì)算所需要的觀察值的遞歸公式。并且可根據(jù)公式（3）預(yù)測(cè)誤差，預(yù)測(cè)誤差如公式（4）所示：

進(jìn)一步將卡爾曼自適應(yīng)濾波估計(jì)如公式（5）所示：

公式（6）稱為卡爾曼自適應(yīng)濾波器增益矩陣，將其帶入公式（5），根據(jù)和得出卡爾曼自適應(yīng)預(yù)測(cè)和濾波公式分別如公式（7）和(8)所示：

預(yù)測(cè)：

濾波：

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

管道焊縫及其附近的熱影響區(qū)在消除殘余應(yīng)力后，其內(nèi)部磁疇組織呈現(xiàn)均勻變化，而在連續(xù)施加交變載荷后，局部高應(yīng)力區(qū)（即應(yīng)力集中區(qū)），由于地磁場(chǎng)信號(hào)、焊縫自有漏磁場(chǎng)信號(hào)、施加交變載荷、現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)等均對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生不同程度影響，將出現(xiàn)急劇的磁化狀態(tài)變化區(qū)。這種焊接接頭磁化強(qiáng)度沿著經(jīng)歷交變載荷過(guò)程造成的主應(yīng)力作用方向的不可逆變化以及它們?cè)诘厍虼艌?chǎng)中冷卻后的殘余磁化強(qiáng)度就稱之為焊接接頭的磁記憶效應(yīng)。本文應(yīng)用俄羅斯動(dòng)力診斷公司TSC-4 M-16對(duì)管道試塊進(jìn)行檢測(cè)，為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效，檢測(cè)前將試塊進(jìn)行固定，減小因檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)而產(chǎn)生的干擾信號(hào)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行減小，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量原理可能產(chǎn)生干擾信號(hào)的信號(hào)源，并對(duì)每一試塊進(jìn)行多次檢測(cè)，選取其中檢測(cè)信號(hào)相近的兩組中的任意一組作為最終的檢測(cè)結(jié)果，并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)[5-6]。根據(jù)磁記憶檢測(cè)信號(hào)曲線，提取檢測(cè)信號(hào)峰值和最大梯度值作為時(shí)域信號(hào)特征值，對(duì)管道試塊的試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)特征值如表2所示[7]。

表2 試塊檢測(cè)信號(hào)特征值

通過(guò)對(duì)3組檢測(cè)信號(hào)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)隨著施加交變載荷時(shí)間變化其磁場(chǎng)梯度值和峰值逐漸變大，對(duì)于相同管徑下不同壁厚管道焊縫的磁記憶信號(hào)特征峰值隨壁厚增加而增大，這是由于壁厚越大，其內(nèi)部磁疇組織對(duì)信號(hào)影響越大，壁厚大顯示出來(lái)的漏磁場(chǎng)也相應(yīng)增大。而對(duì)于壁厚相同而管徑不同，施加相同交變載荷下時(shí)間的磁記憶信號(hào)峰值和梯度值無(wú)明顯變化，這是由于其厚度相同，外加交變載荷相同時(shí)，其內(nèi)部磁疇特異性組織變化相似，故所產(chǎn)生的的磁記憶信號(hào)相似。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)觀察施加交變載荷后管道焊縫的金屬磁記憶信號(hào)，可清楚觀察管道焊縫產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)及應(yīng)力水平變化。管道焊縫應(yīng)力水平隨施加交變載荷時(shí)間增加而增大，其特征值表現(xiàn)為峰值和梯度值均增大。

（2）對(duì)于相同管徑不同壁厚的管道焊縫，施加相同交變載荷時(shí)間下的磁記憶信號(hào)特征峰值隨壁厚增加而增大，特征梯度值也隨壁厚增加而增大。

（3）而對(duì)于壁厚相同而管徑不同，施加相同交變載荷時(shí)間下的磁記憶信號(hào)峰值和梯度值變化情況相似。