張雪偉 陳金忠 康小偉 宋 凱

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室 2.中國特種設(shè)備檢測研究院)

0 引 言

油氣管道長期暴露在野外或埋于地下，受各種氣候條件或人為等因素影響，管道事故時常發(fā)生，對油氣輸送和人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-6]。在管道失效諸多原因中，機(jī)械損傷和腐蝕最常見。機(jī)械損傷可分為凹痕和劃痕，主要由外力、地面擾動、第三方挖掘或建筑設(shè)備造成[7-8]。一般來說，凹陷可通過高精度幾何變形檢測器來進(jìn)行在線檢測[9]，而劃痕通常發(fā)生在管壁與外部力量的接觸點，造成金屬損失或擠壓使管壁變薄，同時出現(xiàn)應(yīng)力集中和冷作，在外觀上與腐蝕缺陷極其形似[10]。當(dāng)前，大多數(shù)管道在線檢測工具通過軸向磁化至近磁飽和狀態(tài)來檢測和量化腐蝕等金屬損失缺陷[11-13]。在強(qiáng)磁場下，漏磁信號受殘余應(yīng)力和冷作的影響極小，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判別缺陷的類型。機(jī)械損傷一般不會導(dǎo)致管道立即失效，形成后多為“死”缺陷，而腐蝕為“活”缺陷，其腐蝕程度隨時間延長逐漸加深。因此，提出一個不僅能夠檢測到腐蝕和劃痕，還能夠?qū)Χ哌M(jìn)行有效識別區(qū)分的方法，可為管道公司制定科學(xué)有效的維修計劃提供技術(shù)支撐。

在高磁場強(qiáng)度下，缺陷幾何形狀對漏磁信號產(chǎn)生不同程度的影響，機(jī)械損傷中劃痕引起的殘余應(yīng)力顯著改變管道微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，但對漏磁信號的影響微乎其微[14]。國外學(xué)者F.FOSTER[15]提出在低磁場強(qiáng)度下，漏磁信號隨外加磁場的增大而逐漸增大，但隨著管壁磁化強(qiáng)度接近飽和值時，應(yīng)力對漏磁信號的影響幾乎消失。為進(jìn)一步研究低磁化強(qiáng)度下應(yīng)力對漏磁信號的影響，B.KVASNICA等[16]和D.C.JLIES等[17]提出彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變都會對碳素鋼的磁導(dǎo)率發(fā)生顯著變化，在低磁場強(qiáng)度下，垂直于磁場大小為120 MPa的應(yīng)力使漏磁通量下降到原來的。T.A.BUBENIK等[18]設(shè)計了一種雙磁化場在線檢測工具，發(fā)現(xiàn)最終的解耦信號主要受殘余應(yīng)力和磁性特性變化的影響。但上述研究關(guān)于磁力機(jī)理以及管道缺陷類型與檢測信號關(guān)系的研究仍然不夠全面，對管道腐蝕和劃痕的檢測識別缺乏可靠性。

本文通過建立管道機(jī)械損傷劃痕瞬態(tài)力學(xué)仿真模型，分析劃痕產(chǎn)生過程中的幾何變形及殘余應(yīng)力分布。基于漏磁檢測原理搭建了非飽和漏磁檢測試驗裝置，并開展了非飽和磁化下油氣管道劃痕和腐蝕兩種缺陷類型對比試驗，并實現(xiàn)了對二者的有效檢測和識別區(qū)分。

1 理論計算

1.1 漏磁理論模型

管壁經(jīng)磁化后，鐵芯、軛鐵和管道之間構(gòu)成了完整的磁回路，在遇到幾何不連續(xù)時，由于空氣磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于管道的磁導(dǎo)率，磁力線不再平行于管道內(nèi)表面，內(nèi)部磁場會發(fā)生變形，從而造成磁力線在缺陷處泄漏，通過磁敏元件拾取漏磁場信號并對缺陷進(jìn)行定位及量化。漏磁檢測原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理

在漏磁檢測中，管道磁化強(qiáng)度的選擇是漏磁檢測技術(shù)中最重要的步驟。磁化強(qiáng)度大小影響缺陷漏磁信號的特征和檢測裝置的結(jié)構(gòu)，并決定了機(jī)械損傷劃痕的信號是否能有效檢測并識別。

在材料的B-H曲線中，磁導(dǎo)率隨磁場強(qiáng)度變化，如圖2所示。在a→b階段，磁導(dǎo)率隨磁化強(qiáng)度增加而迅速增加，該區(qū)間不利于漏磁檢測；在b→c階段，磁導(dǎo)率先上升至最高點然后逐漸下降。在實際情況中需要考慮其他因素，如信噪比和檢測設(shè)備的設(shè)計。

圖2 相對磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系

影響漏磁信號的重要因素包括漏磁檢測工具設(shè)計、缺陷幾何形狀、磁性和運行條件(如速度和應(yīng)力)。為研究機(jī)械損傷劃痕的漏磁信號特征，了解在應(yīng)力作用下管壁磁性尤為重要。大多數(shù)管線鋼為磁各向異性，其易磁化軸是應(yīng)力和磁疇取向相互作用的結(jié)果，通常沿管道軸線方向排列。對于具有正磁致伸縮的材料，如管線鋼，當(dāng)施加載荷時，易磁化軸傾向于偏轉(zhuǎn)到所施加力的方向上[19]。

將磁性與外加應(yīng)力耦合起來首先確定材料初始磁導(dǎo)率和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。這種關(guān)系基于磁場和材料殘余應(yīng)力總能量的最小化，此時達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。

基于殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力，系統(tǒng)的能量密度Eσ計算式為：

(1)

式中：±表示應(yīng)力的方向(垂直于磁化方向為+)；λs為飽和磁致伸縮常數(shù)；σo為施加應(yīng)力，Pa；σr為殘余應(yīng)力，Pa；θ為殘余應(yīng)力從初始位置旋轉(zhuǎn)至磁化矢量的角度，(°)。

與磁場相關(guān)的能量密度EH為：

EH=-HMscos(θ0-θ)

(2)

式中：H為磁場強(qiáng)度，A/m；θ0為施加磁化場與殘余應(yīng)力σr之間的夾角；Ms為磁化矢量，A/m。

當(dāng)總能量最小時，出現(xiàn)平衡位置，系統(tǒng)的總能量ETotal為：

ETotal=Eσ+EH

(3)

當(dāng)滿足以下條件時：

Kλs(σr+σo)sinθcosθ=HMssin(θ0-θ)

(4)

式中：K為常數(shù)，當(dāng)殘余應(yīng)力平行于磁化場時，K=3，當(dāng)殘余應(yīng)力垂直于磁化場時，K=3/2。

平行于磁化場的磁化矢量分量M為：

M=Mscos(θ0-θ)

(5)

初始磁導(dǎo)率μi近似為：

(6)

進(jìn)一步得到：

(7)

式(6)和式(7)表明，管道的初始磁導(dǎo)率與應(yīng)力成反比，相對于無應(yīng)力時的初始磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率為：

(8)

由式(8)可知，在管道中，垂直于外加磁場(+)的壓縮殘余應(yīng)力(σr<0)和平行于(-)外部磁場的拉伸殘余應(yīng)力(σr>0)增加磁導(dǎo)率，更多的磁通量被容納在管壁中，這會導(dǎo)致軸向漏磁信號幅度減小；相反，平行于磁場的壓縮殘余應(yīng)力和垂直于磁場的拉伸殘余應(yīng)力降低磁導(dǎo)率。

1.2 磁化方式

磁化方式可根據(jù)激勵源的種類分為直流磁化、交流磁化和永磁體磁化等方式[20-21]。交流磁化易產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，因此該方法多用于檢測表面或近表面缺陷。永磁磁化不需要激勵源，但只能通過磁路設(shè)計來保證磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度不易調(diào)整。直流磁化可通過對電磁鐵施加磁化被測管道，通過改變電流大小來調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，也可通過切斷電流來消除磁場，方便安裝和拆卸。在直流磁化方式中，由于磁路結(jié)構(gòu)特點的不同會直接影響檢測靈敏度，磁路結(jié)構(gòu)通常分為開路磁化和閉路磁化。為方便對管壁進(jìn)行漏磁檢測試驗及提高檢測靈敏度，采用閉路磁化(磁軛法)方式對管壁進(jìn)行局部軸向磁化。

采用閉合磁化方式，磁場在一個閉合回路內(nèi)，由磁路定理得：

∮IHdl=NI

(9)

式中：l為鐵芯長度，m；I為激勵電流，A；N為線圈圈數(shù)。

顯然整個磁化的磁力線沿整個閉合回路閉合，因此該磁化方式可有效提高檢測靈敏度。

2 仿真模擬

2.1 應(yīng)力分析模型

2.1.1 仿真三維模型建立

由于漏磁信號不僅受到劃痕幾何變形的影響，而且還受到存在于劃痕區(qū)域中殘余應(yīng)力的影響，所以，利用有限元軟件ANSYS建立非線性結(jié)構(gòu)有限元模型，以便獲得劃痕產(chǎn)生的應(yīng)力分布。

假設(shè)管壁為分段線性彈塑性材料模型，采用尺寸為40 mm×40 mm×8 mm的鋼板作為管壁的一部分，壓頭直徑為20 mm。載荷施加在壓頭中心的圓形截面上，通過在垂直鋼板上表面施加壓力，并對鋼板下表面施加固定約束邊界條件，防止鋼板下表面發(fā)生形變，最終建立了產(chǎn)生劃痕的簡單彈塑性模型。出于模型對稱性考慮，圖3為整體模型的。該模型極大程度地減少了網(wǎng)格數(shù)量，從而縮短了模型的計算時間。

圖3 應(yīng)力仿真模型

2.1.2 模型參數(shù)設(shè)置

鋼板材質(zhì)為20#鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為245 MPa，切向模量為0.113 GPa。材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為由雙線性總應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述，該曲線從原點開始，具有正的應(yīng)力和應(yīng)變值。

根據(jù)庫倫摩擦定律，設(shè)置接觸面的摩擦因數(shù)為0.15，鋼板與壓頭之間的界面采用自動面-面接觸算法來建模，該算法使用兩個接觸表面的材料屬性來計算接觸元件的剛度。

2.2 仿真結(jié)果分析

在劃痕形成過程中，通過在壓頭上表面施加瞬時壓力，模擬加載條件，負(fù)載壓力從0線性增加到120 MPa，然后線性降低為0。當(dāng)載荷被除時，鋼板的殘余應(yīng)力分布是表征劃痕的殘余應(yīng)力的近似值。圖4為卸載后的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。由圖4可以看出，在有劃痕的情況下，載荷垂直于外表面，劃痕區(qū)域發(fā)生幾何形變(壁減薄)，而應(yīng)力在管壁的整個厚度上不均勻，且隨著劃痕深度的增加，殘余應(yīng)力逐漸變大，隨后減小。

圖4 應(yīng)力仿真結(jié)果

圖5為劃痕區(qū)域應(yīng)力分布曲線。由圖5可以看出，在劃痕起始位置應(yīng)力開始增大，在劃痕中心處應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后急劇減小。

圖5 應(yīng)力分布曲線

通常，在進(jìn)行漏磁在線檢測時，外部磁化方向沿管道軸向，且垂直于應(yīng)力矢量的最大分量。因此，垂直磁化的壓縮殘余應(yīng)力會導(dǎo)致磁導(dǎo)率增加。

3 試驗條件與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

3.1.1 管道試樣

漏磁檢測試驗采用長1 000 mm、外徑323 mm、壁厚8 mm的半圓形管道，管道材質(zhì)為20#鋼。材料的B-H曲線如圖6所示。

圖6 20#鋼B-H曲線

為保證非飽和漏磁檢測技術(shù)的適用性，分析不同類型缺陷的漏磁信號是否在某些特征值上存在明顯差別，驗證所提取特征值能否對不同類型缺陷進(jìn)行有效檢測識別顯得尤為重要。為此，分別制作了尺寸相同的腐蝕和劃痕缺陷。

在制作劃痕時，通過給壓頭施加壓力載荷，同時管壁另一側(cè)放置在支撐板上，防止管內(nèi)壁產(chǎn)生徑向位移，移除載荷后，產(chǎn)生的劃痕缺陷僅包含殘余應(yīng)力應(yīng)變和管壁減薄，無金屬損失。劃痕最大深度為3.0 mm，最大外徑為19.1 mm。

制作與劃痕尺寸相近的管道腐蝕缺陷試樣，腐蝕在管壁局部使用化學(xué)試劑浸潤40 d后形成。該方法優(yōu)于機(jī)械鉆孔，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并且模擬了真實的腐蝕產(chǎn)生過程。最終得到的腐蝕坑最大深度為3.3 mm，最大直徑為20.7 mm。

由于劃痕和腐蝕缺陷的形成機(jī)理不同，以及受其他不可控因素的影響，最終得到的缺陷在尺寸上存在一定的誤差，二者最大外徑相差1.6 mm，最大深度相差0.3 mm。

3.1.2 檢測裝置

檢測裝置分為磁化掃查部分、檢測探頭和計算信號處理顯示部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 裝置結(jié)構(gòu)框圖

磁化方式采用直流磁軛式磁化，磁軛材料為電工純鐵(DT4),該材料具有低矯頑力、高磁導(dǎo)率和高穩(wěn)定性等優(yōu)點。設(shè)置磁化線圈為1 200匝，線徑為1.2 mm，通過調(diào)節(jié)直流電大小可提供0～25 kA/m的管壁磁化強(qiáng)度。探頭部分由3個相互垂直放置的霍耳元件組成，可檢測空間三維漏磁場，霍耳元件型號為SS49E。該型號霍耳元件的檢測靈敏度為2.5 mV/mT，測量磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為-1 000～1 000 mT。數(shù)據(jù)采集卡型號為ZTIC-EM9118B，該采集卡支持以太網(wǎng)接口和USB 接口，它是高速并行、高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，帶有模擬輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、計數(shù)、測頻及離線采集等功能。同時，該采集卡的采集通道數(shù)最大為18路，電壓輸出范圍為-10.0～10.0 V，最高采樣頻率每通道都可達(dá)到450 kHz ,最高吞吐量3.6 Mbit/s，且最高可實現(xiàn)4路450 kHz采樣頻率，采集后信號輸入到計算機(jī)完成進(jìn)一步的處理和顯示。

檢測流程如下：

(1)通過恒流源電流大小控制磁化強(qiáng)度，同時探頭緊貼管壁內(nèi)表面。

(2)采用步進(jìn)電機(jī)控制掃查臂沿X方向進(jìn)行二維掃查檢測，并以20 kHz/s的采樣率采集。

(3)回到初始位置，通過調(diào)節(jié)Y方向步進(jìn)電機(jī)來偏移探頭，重復(fù)進(jìn)行步驟(2)。

試驗過程中磁敏元件檢測得到的漏磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的采集、放大濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機(jī)顯示。

需要說明的是，掃查臂上的檢測探頭與管道內(nèi)壁始終保持貼合，同時配備減振裝置保證檢測探頭與被檢測管道保持適度的貼緊壓力，使檢測探頭對被測管道的壓緊力在合適的范圍內(nèi)，避免壓力過大損壞檢測探頭或壓力過小影響耦合性能，提高探頭工作的可靠性。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 最佳磁化強(qiáng)度

為確定在測殘余應(yīng)力對鋼磁性的影響，在垂直于磁化方向的壓應(yīng)力形成的劃痕區(qū)域內(nèi)，將磁化強(qiáng)度從1 000 A/m提高到25 000 A/m，同時測量管壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將得到的B-H曲線與材料初始B-H曲線對比，如圖8所示。由圖8可以看出，在曲線拐點區(qū)域中，殘余應(yīng)力對鋼磁性的影響最為明顯。當(dāng)磁化強(qiáng)度為2 400 A/m時，兩曲線中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B差值最大。因此，為了保證足夠的磁化強(qiáng)度，同時要有效檢測出機(jī)械損傷劃痕，磁化強(qiáng)度必須等于或低于磁化曲線的拐點，選擇2 400 A/m作為此次試驗的最優(yōu)磁化強(qiáng)度。

圖8 B-H曲線對比圖

3.2.2 試驗結(jié)果分析

在測試前需對樣品進(jìn)行退磁，退磁處理后，用高斯計測量試樣的表面磁場強(qiáng)度，以確保表面磁場強(qiáng)度低于80 A/m。

為使漏磁檢測定性檢出劃痕及劃痕區(qū)域的應(yīng)力信號，將磁化強(qiáng)度水平調(diào)節(jié)至2 400 A/m，接近磁化曲線的拐點，并設(shè)置探頭提離值為1 mm，掃查速度為0.25 m/s，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后如圖9所示。

圖9 劃痕試驗結(jié)果

將應(yīng)力模擬結(jié)果與漏磁檢測試驗結(jié)果進(jìn)行比較。由圖9不難看出，漏磁信號整體由劃痕的幾何形狀和應(yīng)力效應(yīng)共同作用引起。兩側(cè)肩峰值位置區(qū)間為11.1～29.8 mm，對應(yīng)劃痕缺陷的外徑尺寸。中心區(qū)域的負(fù)峰值發(fā)生畸變，在整個負(fù)峰值中約占40%，這主要由應(yīng)力效應(yīng)引起，壓應(yīng)力增加了管壁磁導(dǎo)率，更多的磁通量被容納在管壁中，導(dǎo)致漏磁信號幅度減小。這反映了該區(qū)域有較高的壓應(yīng)力，與劃痕有限元模型計算的應(yīng)力分布結(jié)果相對應(yīng)。此外，圖9實際測得的漏磁信號的兩個肩部峰值并不相等，這是加工工具的偏差造成缺陷形狀稍微不對稱造成的。

為進(jìn)一步對比腐蝕缺陷與劃痕漏磁信號的差別，對腐蝕進(jìn)行了漏磁檢測試驗。最終得到的漏磁檢測試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 腐蝕試驗結(jié)果

從圖10可以看出，漏磁信號整體幅值呈現(xiàn)出中間低、兩側(cè)高的形狀，由幾何形狀的引起的負(fù)峰值達(dá)到了43 mT。由于在試驗過程中劃痕與腐蝕的深度及外徑不完全一致，腐蝕漏磁信號的正峰值達(dá)到了58 mT，肩峰位置區(qū)間為9.4～30.3 mm，所以腐蝕漏磁信號的峰值以及兩側(cè)的肩峰值間距都略大于劃痕漏磁信號。此外，腐蝕缺陷不存在殘余應(yīng)力以及冷作，因此不存在額外的應(yīng)力峰特征，與劃痕漏磁信號產(chǎn)生了鮮明的對比，達(dá)到有效判別缺陷類型的目的。

在管道實際檢測器檢測時，確定被測管道B-H曲線的拐點區(qū)域，在該磁化區(qū)域進(jìn)行漏磁檢測時，應(yīng)力對材料磁性的影響最為敏感，同時也能保證有效檢出腐蝕缺陷。

4 結(jié) 論

(1)針對管道漏磁在線檢測對機(jī)械損傷劃痕和腐蝕識別區(qū)分能力有限的問題，分析了應(yīng)力對管道磁特性的影響。通過建立三維有限元模型模擬了機(jī)械損傷劃痕的形成，并得到了劃痕幾何形狀以及劃痕區(qū)域中殘余應(yīng)力的分布。

(2)基于漏磁檢測原理設(shè)計并搭建了非飽和漏磁內(nèi)檢測試驗裝置，通過調(diào)節(jié)激勵源電流使管壁磁化至最優(yōu)磁化強(qiáng)度下，為2 400 A/m，對劃痕和腐蝕開展了漏磁檢測試驗。試驗結(jié)果表明，信號區(qū)域中間畸變的峰值主要由應(yīng)力效應(yīng)引起，且在整個負(fù)峰值中約占40%，與腐蝕缺陷的漏磁場信號存在非常明顯的區(qū)別。

(3)試驗檢測結(jié)果符合漏磁場理論，有較高的可靠性和信噪比，證實了非飽和漏磁檢測技術(shù)檢測與識別機(jī)械損傷劃痕及腐蝕可行。