竺國榮 嚴(yán)瑞霖 王 杜 錢盛杰 董 洋 譚繼東

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

工程應(yīng)用上急需對鐵磁性材料的疲勞狀態(tài)全生命周期進(jìn)行無損檢測和評估［1～3］，特別是針對疲勞裂紋形成前和形成初期的檢測技術(shù)，采用多磁參數(shù)法開展理論研究和技術(shù)研發(fā)，解決工程問題。 目前對于疲勞過程中的磁巴克豪森噪聲（MBN） 信號變化的研究主要集中在位錯密度的增加、滑移帶的形成及裂紋的萌生等微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及缺陷數(shù)目、疇壁與MBN峰值電壓的相互作用等方面［4～6］。

鐵磁性材料在循環(huán)載荷的作用下，MBN信號變化顯著，為了探究循環(huán)載荷和單向載荷對MBN信號影響的區(qū)別，2004年英國的MOORTHY V研究了En36鋼在超限應(yīng)力（最大達(dá)1 700 MPa）循環(huán)作用下的MBN信號特性， 指出與單向載荷相比，高應(yīng)力下的循環(huán)載荷會增加材料的位錯密度，會使MBN信號峰值減小，加速材料疲勞。 利用MBN信號與循環(huán)周次的關(guān)系，可以對鐵磁性材料的疲勞損傷進(jìn)行無損檢測。

近年來，在疲勞研究方面用多磁參數(shù)幅值驗(yàn)算取得新發(fā)展，用于壓力管道檢驗(yàn)，可快速評估管道疲勞強(qiáng)度，為管道運(yùn)行提供保障［7］?；诙啻艆?shù)原理研制的一種鐵磁性材料疲勞檢測儀，具有快速、便捷進(jìn)行在役設(shè)備關(guān)鍵部位掃描檢測的優(yōu)點(diǎn)，且檢測靈敏度和準(zhǔn)確度高。 采用多磁參數(shù)法對壓力管道進(jìn)行測量，依據(jù)不同疲勞強(qiáng)度下多磁參數(shù)特征值的變化，分析疲勞強(qiáng)度與多磁參數(shù)間的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了相對疲勞失效的預(yù)警。

1 檢測目標(biāo)

疲勞破壞最易發(fā)生的部位：一是在結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)處即壓力管道的應(yīng)力集中的部位；二是存在裂紋類原始缺陷的焊縫部位，即使在交變的膜應(yīng)力下也會發(fā)生疲勞裂紋的擴(kuò)展而破壞。 如果兩種情況同時(shí)存在于一處，就很容易發(fā)生疲勞破壞。

筆者分別在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場條件下開展管道疲勞檢測，在進(jìn)行壓力管道檢驗(yàn)的過程中選取的位置要符合上述情況。 檢測的管道材料為20G，分別在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場進(jìn)行檢測。 其中，實(shí)驗(yàn)室測試2根壓力管道試塊， 測試次數(shù)不少于每根10次。 現(xiàn)場測試不少于2根現(xiàn)場疲勞工況壓力管道，測試次數(shù)不少于每根8次。 測試結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析評估，數(shù)據(jù)分析評估不少于50組。

2 檢測方法

2.1 檢測儀器選取

采用多磁參數(shù)檢測法完成對管道疲勞應(yīng)力的檢測，多磁參數(shù)檢測儀主要由主機(jī)和探頭兩部分組成（圖1）。

圖1 多磁參數(shù)檢測儀

2.2 測試方案

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室測試

實(shí)驗(yàn)室測試即壓力管道試塊測試。 對2根壓力管道（DN159 mm、DN108 mm），每根壓力管道在彎頭兩側(cè)、焊縫邊至少選取8個位置，做4個方向的測試。 對壓力管道（DN159 mm）疲勞循環(huán)0、1 000、3 000、6 000、10 000次后在同一位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。

2.2.2 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試即吸附器連接管道在役檢測。 管道的工作壓力0.65 MPa， 工作溫度常溫， 材料為20G，規(guī)格DN200 mm×8.18 mm，循環(huán)的時(shí)間是100 s，分別在吸和呼的過程中檢測兩次，由于管線中間有閥門和法蘭連接會產(chǎn)生不連續(xù)，因此選擇在進(jìn)出第1個口彎頭兩側(cè)附近測試不少于6個位置、 在遠(yuǎn)離容器的直管部位測試不少于2個位置，畫好單線圖做好位置記錄，且做好工況記錄（如，電磁干擾等）。

檢測實(shí)施過程中， 每隔500 mm做4個方向的測試，每條管線最少測量8個位置，如有彎頭或其他管件，在焊縫附近母材區(qū)域檢測，管件上不需要檢測。 由于管道外部有油漆層，為了避免檢測時(shí)提離不同，測量前測量區(qū)域需要打磨，打磨尺寸至少為60 mm×60 mm。

3 數(shù)據(jù)分析

將實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)用于模型制作，分析數(shù)據(jù)時(shí)各多磁參數(shù)特征值作為自變量，疲勞壽命作為因變量。 將實(shí)驗(yàn)室測得的管道不同位置、不同方向的數(shù)據(jù)作橫向?qū)Ρ龋瑢⑦@些數(shù)據(jù)制作多元線性回歸模型，多元線性回歸方程是對多個自變量和因變量間關(guān)系進(jìn)行建模的一種回歸分析，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中，x和C表示自變量，β表示權(quán)重，y表示因變量。 線性回歸模型參數(shù)見表1。 其中，權(quán)重β數(shù)值由實(shí)驗(yàn)室測得， 多磁參數(shù)x數(shù)值由實(shí)際測試得到。

表1 多元線性回歸參數(shù)

通過使用上述線性回歸方程， 將權(quán)重β數(shù)值和多磁參數(shù)x數(shù)值代入式（1），對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到因變量y，將得出的結(jié)果列于表2。

表2 現(xiàn)場測試線性回歸后數(shù)據(jù)

（續(xù)表2）

現(xiàn)場共對2根壓力管道進(jìn)行測試， 對每根管道選擇8個位置，分4個角度進(jìn)行測量，共96組數(shù)據(jù)。將疲勞壽命達(dá)到8 000次及以上的位置定義為危險(xiǎn)位置。 結(jié)果中共有3組數(shù)據(jù)為危險(xiǎn)，其中一組出現(xiàn)于VN-13A-3-1位置， 另外兩組集中于VN-13B-1-1位置，通過現(xiàn)場實(shí)物圖（圖2）對比，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)疲勞預(yù)警位置均處于管道彎曲處，即結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)處，需要對這些點(diǎn)位進(jìn)行重視并處理。

圖2 危險(xiǎn)位置標(biāo)注

4 結(jié)束語

針對鐵磁性材料的疲勞損傷問題，提出采用多磁參數(shù)檢測法進(jìn)行檢測。 首先在建立多元線性回歸模型的基礎(chǔ)上在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定，獲得權(quán)重β值；接著，在工程現(xiàn)場進(jìn)行測試，得到多磁參數(shù)x的值；最后，將上述數(shù)據(jù)代入回歸模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析， 確定壓力管道的3處位置存在疲勞損傷情況。 說明多磁參數(shù)檢測方法能有效判斷鐵磁材料的疲勞損傷， 測量結(jié)果準(zhǔn)確高效，可在壓力管道檢測中進(jìn)行大規(guī)模推廣使用。