李玉坤,楊進(jìn)川,焦守田,彭啟鳳

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610599)

0 引言

長(zhǎng)輸管道在建設(shè)或維搶修時(shí)，需要使用焊接技術(shù)連接兩段管道。焊接工況下焊縫中心溫度高達(dá)1 000 ℃以上，在高溫作用下焊縫金屬逐步向外膨脹，同時(shí)會(huì)受到熱影響區(qū)附近鋼材的約束，進(jìn)而在管道焊縫區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力，也稱為殘余應(yīng)力[1]。在管道使用過程中，工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互疊加，易使管道總應(yīng)力超過強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致焊縫周圍出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重的甚至?xí)鸸艿懒芽凇80管線鋼強(qiáng)度高、韌性好，在中緬管線、西氣東輸管線中大量使用，X80鋼管道環(huán)焊縫處存在殘余應(yīng)力，是管道的薄弱部分[2-7]。研究環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的有效檢測(cè)方法，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焊縫安全裕度，對(duì)保障X80焊接管段服役安全有重要工程價(jià)值。

現(xiàn)有的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)主要分為兩類：第一類為有損檢測(cè)法，通過機(jī)械加工釋放應(yīng)力，使用應(yīng)變儀或其他儀器測(cè)量應(yīng)力釋放過程中的伴隨變形，代入理論或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算應(yīng)力，如盲孔法、輪廓法、環(huán)芯法等，其中盲孔法理論相對(duì)成熟，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用較多，但對(duì)構(gòu)件有損傷，不適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；第二類為無(wú)損檢測(cè)法，也稱為物理檢測(cè)法，通過測(cè)量與應(yīng)力有關(guān)的物理參數(shù)計(jì)算應(yīng)力，如超聲法、X射線衍射法、中子衍射法、納米壓痕法等[8-13]。沈軍等[14]認(rèn)為磁測(cè)法具有探測(cè)深度大、無(wú)輻射危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一。應(yīng)力對(duì)磁性材料的物理性能如各向異性、磁致伸縮、磁電阻、鐵磁共振、自旋波等有很大影響[15-19]，可通過測(cè)量材料的磁性參數(shù)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)[20]。而在各種磁性參數(shù)當(dāng)中，矯頑力的測(cè)量受外界干擾較小，測(cè)量結(jié)果的離散性也較小[21]，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)。IVANOV等[22]研究了室溫下鋼材進(jìn)行單向拉伸時(shí)應(yīng)力對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；郭子政等[23]改進(jìn)JA-SW混合模型，理論研究了應(yīng)力對(duì)矯頑力和磁滯損耗的影響；Ul′YANOV等[24]學(xué)者研究了A3鋼在拉伸過程中彈性階段和塑性階段鋼材矯頑力的變化；ZHOU等[25]利用U型傳感器對(duì)鐵磁金屬中的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，表明了矯頑力與應(yīng)力的線性關(guān)系；MURAV′EV等[26]提出利用矯頑力計(jì)可以評(píng)估材料的應(yīng)力狀態(tài)及缺陷含量，由此可以預(yù)測(cè)焊接接頭的結(jié)構(gòu)和性能。SKOBLO等[27]設(shè)計(jì)一套新型矯頑力設(shè)備測(cè)量耕田機(jī)葉片的矯頑力，并通過矯頑力大小對(duì)葉片的機(jī)械性能和使用壽命進(jìn)行了研究。XUE等[28]研究了新型功能復(fù)合材料鐵磁形狀記憶合金-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(FSMA-ER)的力學(xué)性能和磁性能，展示了FSMA-ER復(fù)合材料特有的力學(xué)性能和磁性能，為該類材料的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)?；诔C頑力的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，理論體系較為成熟，設(shè)備種類繁多，但針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道應(yīng)力測(cè)量的理論和應(yīng)用較少，尤其是X80管線焊接殘余應(yīng)力的應(yīng)用效果尚不明確。

本文基于力磁耦合理論，分析應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)矯頑力的影響機(jī)理，推導(dǎo)了平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變與矯頑力的計(jì)算公式，提出適用于管道的力磁耦合模型，并進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)標(biāo)定X80管線鋼磁彈性應(yīng)變系數(shù)，最后利用矯頑力法和盲孔法測(cè)量管道環(huán)焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力，驗(yàn)證矯頑力法的可行性。

1 力磁耦合理論

1.1 力磁耦合基本理論

在外界磁場(chǎng)的作用下，鐵磁性材料逐漸被磁化，發(fā)生疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)，最終達(dá)到磁飽和，如圖1所示。隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，材料內(nèi)部先后進(jìn)行疇壁可逆移動(dòng)、疇壁不可逆移動(dòng)和磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)材料內(nèi)部所有的磁疇磁矩都轉(zhuǎn)為同外磁場(chǎng)方向一致時(shí)，材料達(dá)到磁化飽和狀態(tài)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大值(Bm)。此后，若減小外磁場(chǎng)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(shí)內(nèi)部疇壁移動(dòng)和磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的不可逆過程，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減為零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不為零，此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁(Br)。繼續(xù)施加反向磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)減小，當(dāng)反向磁場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度減為零，此時(shí)施加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為該鐵磁性材料的矯頑力(Hc)，是鐵磁性材料的磁特性參數(shù)之一，表征材料被飽和磁化后維持原有磁化狀態(tài)的能力，單位為A/m。

圖1 X80管材磁滯回線

應(yīng)力是影響鐵磁性材料磁特性的主要因素之一。當(dāng)材料受到應(yīng)力作用時(shí)，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)改變，磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁滯回線發(fā)生改變，磁特性參數(shù)變化顯著，稱為力磁耦合效應(yīng)[29]，如圖1虛線所示。微觀角度而言，鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)或外力作用下，為滿足能量最低原則，磁晶內(nèi)部磁疇將不斷向外加磁場(chǎng)或外加應(yīng)力方向發(fā)生疇壁位移和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，以增加磁彈性能的方式來(lái)抵消外磁場(chǎng)能或應(yīng)力能的增加。外加磁場(chǎng)和外加應(yīng)力對(duì)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)[30]，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(chǎng)或外應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的磁性能變化，如圖2所示。

(a)無(wú)應(yīng)力 (b)存在應(yīng)力

1.2 管道力磁耦合模型

只考慮內(nèi)壓時(shí)，管壁中存在徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ和軸向(軸向)應(yīng)力σL，如圖3所示。徑向應(yīng)力σr與環(huán)向應(yīng)力σθ、軸向應(yīng)力σL相比很小，可以忽略不計(jì)，即σr≈0。

圖3 內(nèi)壓作用下管壁中的應(yīng)力

如圖3(b)所示，對(duì)具有端部效應(yīng)(包括盲板、關(guān)閉閥門、管道堵塞及與彎頭連接等情況)的管道，由區(qū)域受力平衡可得：

(1)

即：

(2)

式中,p為內(nèi)壓力；d為管道公稱直徑；t為壁厚。

對(duì)于薄壁管道，有R1=∞，R2=d/2，qz=-p，由拉普拉斯方程，可得：

(3)

在內(nèi)壓作用下，薄壁管道中徑向應(yīng)力忽略不計(jì)，管壁處于兩向應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力方向?yàn)榄h(huán)向和軸向，未知參數(shù)為兩個(gè)。故只需測(cè)量環(huán)向和軸向矯頑力，即可確定管道表面應(yīng)力狀態(tài)。

根據(jù)經(jīng)典磁彈性理論，描述鐵磁介質(zhì)中的應(yīng)變、外加磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)之間關(guān)系的磁性狀態(tài)方程可表示為：

(4)

取Bj=0，即感應(yīng)磁場(chǎng)退為零時(shí)，式(4)可改寫為：

(5)

(6)

管壁應(yīng)力是典型的兩向應(yīng)力狀態(tài)，不考慮厚度方向的影響，i，j的取值為x(軸向)和y(環(huán)向)，代入式(6)可得：

(7)

由廣義胡克定律可知，平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算公式為：

(8)

式中,σx,σy為管道軸向和環(huán)向應(yīng)力;E為管線鋼的彈性模量;μ為材料的泊松比。

由式(7)(8)可知，應(yīng)用矯頑力法需通過標(biāo)定試驗(yàn)獲取材料參數(shù)Kε,E,μ，通過測(cè)量獲取管道上某一點(diǎn)的環(huán)向和軸向矯頑力，代入式(7)(8)計(jì)算，得到該處的應(yīng)力。

2 環(huán)焊縫殘余應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)

利用矯頑力法測(cè)量管道環(huán)焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力，并與盲孔法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)殘余應(yīng)力分布規(guī)律，討論矯頑力法測(cè)量誤差產(chǎn)生原因。測(cè)量前需通過單向拉伸試驗(yàn)標(biāo)定X80管線鋼的磁彈性應(yīng)變系數(shù)，同時(shí)獲得管道的彈性模量、泊松比等參數(shù)。

2.1 鐵磁材料矯頑力測(cè)量?jī)x

為確定材料磁特征參數(shù)與內(nèi)應(yīng)力之間的關(guān)系，通常將激勵(lì)線圈與感應(yīng)線圈直接纏繞到受拉(壓)應(yīng)力作用的試樣上，但該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。本試驗(yàn)使用纏繞激勵(lì)線圈的U型磁芯緊貼在被測(cè)試樣上構(gòu)成閉合磁路，如圖4所示；向激勵(lì)線圈施加激勵(lì)電流使閉合磁路中產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，并由霍爾傳感器檢測(cè)感生磁場(chǎng)變化。由激勵(lì)線圈中的電流值近似計(jì)算出閉合磁路中磁場(chǎng)強(qiáng)度值H，由此可得到不同應(yīng)力條件下的矯頑力。

圖4 被測(cè)磁路組成

NOVOTEST KRC-M2鐵磁材料矯頑力測(cè)量?jī)x包括主機(jī)、探頭及標(biāo)定試塊，如圖5所示。主機(jī)內(nèi)包括電池、測(cè)量電路和微型電腦，能夠產(chǎn)生激勵(lì)電流并測(cè)量矯頑力。探頭由硅鋼鐵芯、紫銅漆包線及霍爾傳感器組成，激勵(lì)線圈300匝，線徑0.7 mm。設(shè)備配有標(biāo)定試塊兩塊，其矯頑力值分為2.6 A/cm和13.9 A/cm，用于測(cè)量前對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，保證測(cè)量準(zhǔn)確度，具體參數(shù)如表1所示。NOVOTEST KRC-M2矯頑力測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)是激勵(lì)電流大、測(cè)量速度快，只需3 s即可測(cè)量完成，且其體積小、重量輕，儀器便攜性好。

圖5 NOVOTEST KRC-M2矯頑力測(cè)量裝置

表1 NOVOTEST KRC-M2矯頑力測(cè)量裝置技術(shù)參數(shù)

2.2 磁彈性應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定

標(biāo)定試驗(yàn)所用試件從現(xiàn)場(chǎng)X80管線鋼管段切割而來(lái)，尺寸如圖6所示，厚度與管道相同為16.5 mm。使用NOVOTEST KRC-M2鐵磁性材料矯頑力測(cè)量?jī)x測(cè)量矯頑力。試驗(yàn)過程加載方案如圖7所示，縱軸P為載荷、縱軸u為位移，圖中的虛線和實(shí)線是兩組載荷位移隨加載時(shí)間變化曲線。載荷從0 kN開始增加直至500 kN，每次增加50 kN，恒載后載荷保持200 s，測(cè)量該載荷下的平行于加載方向矯頑力值Hcx和垂直方向的矯頑力值Hcy，并且至少測(cè)量3次，取測(cè)量結(jié)果平均值。試件背面貼有一組直角應(yīng)變花，用于測(cè)量試件在單向受拉狀態(tài)下軸向應(yīng)變?chǔ)舩和環(huán)向應(yīng)變?chǔ)舮，共計(jì)得到11組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖6 拉伸試件結(jié)構(gòu)示意

圖7 載荷位移隨加載時(shí)間變化曲線

圖8 矯頑力和應(yīng)變隨應(yīng)力變化曲線

由結(jié)果可知，載荷增加時(shí)，εy和Hcx線性增大，εx和Hcy線性減小，但Hcy相較于Hcx變化較小且線性度較差。應(yīng)力每增大50 MPa，Hcy平均增大0.8 A/cm，Hcx平均減小0.1 A/cm，故當(dāng)試件應(yīng)力變化時(shí)，垂直方向矯頑力變化較大，響應(yīng)明顯。材料彈性范圍內(nèi)，隨拉應(yīng)力增大，平行于應(yīng)力施加方向矯頑力值減小，垂直于應(yīng)力施加方向矯頑力值線性增大，矯頑力的變化與其垂直方向應(yīng)變有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由式(7)可知，加載時(shí)應(yīng)變與矯頑力間存在以下關(guān)系：

(9)

式中,εxi與εyi為第i步(i=1,2,3…11)加載時(shí)試件x方向和y方向的應(yīng)變;ΔHxi為第i步加載條件下試件x方向矯頑力與載荷為0 kN時(shí)矯頑力的差值;ΔHyi為y方向矯頑力的差值。

11組不同載荷時(shí)測(cè)得的應(yīng)變與矯頑力代入式(9)可得11個(gè)方程組，解之，得：

由拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變可知，X80管線鋼彈性模量為207 GPa，泊松比為0.31。

2.3 矯頑力法殘余應(yīng)力測(cè)量

X80管線鋼的磁彈性應(yīng)變系數(shù)、泊松比、彈性模量標(biāo)定完成后，便可通過測(cè)量得到管道矯頑力，代入式(7)、(8)中計(jì)算管道殘余應(yīng)力。待測(cè)管道為某天然氣長(zhǎng)輸管線所更換的現(xiàn)場(chǎng)管道，如圖9所示。管道由X80管材制成，管道參數(shù)如表2所示。環(huán)焊縫位于管道中間位置，焊縫外表面寬度10 mm，余高8～12 mm，不存在焊接缺陷。

圖9 X80待測(cè)管道

表2 管道特征參數(shù)

試驗(yàn)中首先使用NOVOTEST KRC-M2鐵磁性材料矯頑力測(cè)量?jī)x測(cè)量了管道矯頑力，測(cè)量步驟為：(1)以環(huán)焊縫起焊處為0:00，按表盤12個(gè)鐘點(diǎn)方位標(biāo)記環(huán)焊縫；(2)沿著環(huán)焊縫方向每隔30 min取為一個(gè)待測(cè)方位，如0：00,12：30,1：00,1：30等；(3)每個(gè)待測(cè)方位沿管道軸向取5個(gè)待測(cè)點(diǎn)，其中③號(hào)點(diǎn)位于焊縫中心，②④號(hào)點(diǎn)位于焊趾處，①⑤號(hào)點(diǎn)位于母材上，各測(cè)點(diǎn)距離為5 cm，如圖10所示；(4)使用矯頑力測(cè)量?jī)x測(cè)量各點(diǎn)軸向矯頑力Hcx和環(huán)向矯頑力Hcy，使用Tectplot軟件將測(cè)得結(jié)果繪制表面矯頑力云圖，如圖11所示。

圖10 管道鐘點(diǎn)劃分及測(cè)點(diǎn)示意

(a)軸向矯頑力

由圖11可以看出，焊縫處軸向矯頑力較大，越往兩側(cè)矯頑力越低；環(huán)向矯頑力沒有顯著的分布規(guī)律，但平均值略大于軸向矯頑力。測(cè)量結(jié)果中，軸向矯頑力最大值為11.8 A/cm，最小值為8.3 A/cm；環(huán)向矯頑力最大值為12.3 A/cm，最小值為8.2 A/cm。將矯頑力測(cè)量結(jié)果和標(biāo)定試驗(yàn)得到的代入式(8)(9)，可得該管段的矯頑力法測(cè)得應(yīng)力，如圖12所示。由結(jié)果可知，殘余應(yīng)力以焊縫為中心近似于對(duì)稱分布。焊縫中心軸向殘余應(yīng)力最大，最大可達(dá)120 MPa，越往兩側(cè)殘余應(yīng)力值越低；焊縫中心環(huán)向殘余應(yīng)力值較小，兩側(cè)應(yīng)力值逐漸升高，但要低于軸向殘余應(yīng)力。

(a)軸向應(yīng)力

2.4 盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量

為了驗(yàn)證矯頑力法的可靠性，進(jìn)一步定量的探究管道環(huán)焊縫處殘余應(yīng)力分布規(guī)律，本文選用盲孔法對(duì)管道0：00,3：00,6：00,9：00的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量[31-33]。鉆孔儀及應(yīng)變片見圖13(a)(b)，測(cè)點(diǎn)選取方式與矯頑力法一致，見圖13(c)。

圖13 盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量

測(cè)量步驟為：(1)將待測(cè)點(diǎn)打磨至光滑平整，并且不能過度打磨避免引入磨削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力；(2)將殘余應(yīng)力應(yīng)變片(型號(hào)：BF120-2CA-K)貼至待測(cè)點(diǎn)處，連接應(yīng)變儀，調(diào)零；(3)使用鉆孔儀打孔釋放應(yīng)力，孔深2 mm，鉆頭直徑為2 mm；(4)待應(yīng)變穩(wěn)定后，讀取釋放應(yīng)變，計(jì)算殘余應(yīng)力，計(jì)算公式為：

(10)

(11)

A=-(1+μ)a2/2r1r2

(12)

(13)

式中,σ1為最大主應(yīng)力;σ2為最小主應(yīng)力;φ為第一主應(yīng)力與x軸(沿焊縫方向)夾角;A,B為通孔法殘余應(yīng)力釋放系數(shù)；ε0,ε45,ε90為所測(cè)釋放應(yīng)變。

本試驗(yàn)中r1=2 mm,l=3 mm，a=2 mm，r2=r1+l=5 mm，μ=0.3，孔的徑深比為1.0，代入公式(12)(13)中，可得A=-0.26，B=-0.394 4。

將盲孔法測(cè)得應(yīng)力進(jìn)行分解，計(jì)算環(huán)焊縫處軸向與環(huán)向殘余應(yīng)力，計(jì)算公式如式(14)(15)所示，比較各測(cè)點(diǎn)矯頑力法和盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，如表3所示(其中，d為測(cè)點(diǎn)至焊縫中心距離，σx1,σy1為盲孔法測(cè)量軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力，σx2,σy2為矯頑力法測(cè)量軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力)。

表3 盲孔法及矯頑力法應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

(14)

(15)

3 試驗(yàn)分析與討論

由0：00,3：00,6：00,9：00殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果可知，盲孔法測(cè)得軸向及環(huán)向殘余應(yīng)力都以拉應(yīng)力為主。軸向殘余應(yīng)力0：00,3：00,9：00都為焊縫中心較大而母材較低，規(guī)律一致，但在6：00方位存在差異；環(huán)向殘余應(yīng)力在0：00方位規(guī)律與軸向一致，剩余點(diǎn)位規(guī)律性較差，環(huán)向殘余應(yīng)力最小值出現(xiàn)在6：00方位⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)，為-70.5 MPa，最大值出現(xiàn)在0：00方位焊縫測(cè)點(diǎn)，為85 MPa。矯頑力法測(cè)得軸向殘余應(yīng)力在焊縫中心均為拉應(yīng)力，規(guī)律與盲孔法測(cè)量結(jié)果基本一致；軸向殘余應(yīng)力顯著高于環(huán)向殘余應(yīng)力，環(huán)向殘余應(yīng)力除6：00①號(hào)測(cè)點(diǎn)及3：00③號(hào)測(cè)點(diǎn)外均為拉應(yīng)力，焊縫中心環(huán)向殘余應(yīng)力較低，最大值出現(xiàn)在母材區(qū)域，所有測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力均小于65 MPa。

軸向應(yīng)力測(cè)量結(jié)果(見圖14)，橫坐標(biāo)d為測(cè)點(diǎn)至焊縫中心的距離，縱坐標(biāo)為軸向應(yīng)力，σx1為盲孔法測(cè)得軸向殘余應(yīng)力，σx2為矯頑力法測(cè)得軸向殘余應(yīng)力。其中，圖14(a)為0：00方位測(cè)量結(jié)果，兩種方法所測(cè)軸向殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，焊縫中心殘余應(yīng)力數(shù)值最大，隨距焊縫中心距離增加殘余應(yīng)力值越小，整體應(yīng)力測(cè)量結(jié)果較小，所測(cè)應(yīng)力均小于66 MPa。圖14(b)為3：00方位應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，軸向殘余應(yīng)力兩種方法測(cè)量結(jié)果變化規(guī)律較為相似，但矯頑力法測(cè)量結(jié)果小于盲孔法，平均相差17.4 MPa。圖14(c)為6：00方位軸向應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，兩種方法測(cè)得結(jié)果變化趨勢(shì)相似。除⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)外，盲孔法測(cè)得結(jié)果均大于矯頑力法測(cè)得結(jié)果，平均差值較大，為44.3 MPa；在6：00方位②號(hào)測(cè)點(diǎn)有最大值為209.7 MPa，該測(cè)點(diǎn)也是兩種方法測(cè)量結(jié)果最大差值點(diǎn)，二者差值為63.6 MPa。圖14(d)為9：00方向殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果，兩種方法應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，焊縫及焊趾處盲孔法測(cè)得應(yīng)力較大，母材測(cè)點(diǎn)矯頑力法測(cè)的結(jié)果較大。

(a)0：00軸向應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

盲孔法與矯頑力法軸向測(cè)量結(jié)果規(guī)律一致，但在數(shù)值上存在一定差異。盲孔法鉆孔深度為2 mm，測(cè)量結(jié)果為管道表層殘余應(yīng)力，矯頑力法測(cè)量整個(gè)管壁厚度殘余應(yīng)力的平均值；管道為薄壁結(jié)構(gòu)，其表層殘余應(yīng)力與整個(gè)厚度上平均殘余應(yīng)力應(yīng)具有相似的分布規(guī)律，但殘余應(yīng)力數(shù)值可能不同。

此外，無(wú)論是盲孔法還是矯頑力法，測(cè)量結(jié)果均存在誤差。盲孔法測(cè)量過程中應(yīng)變片粘貼質(zhì)量和打孔精度都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果；計(jì)算過程中通常使用相同的系數(shù)計(jì)算軸向和環(huán)向應(yīng)力，但管道材料經(jīng)過卷取、焊接等工序，軸向和環(huán)向材料的彈性模量等參數(shù)存在差異，因此導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。矯頑力法測(cè)量過程中，由于焊縫余高導(dǎo)致環(huán)向測(cè)量時(shí)焊縫與探頭間不能充分接觸，探頭放置不穩(wěn)定，存在空氣間隙，磁阻增大，影響測(cè)量結(jié)果。殘余應(yīng)力產(chǎn)生往往伴隨著較大的塑性變形，而本文建立矯頑力應(yīng)力計(jì)算模型是基于彈性階段的，殘余應(yīng)力值較大時(shí)存在一定誤差。

4 結(jié)論

(1)基于鐵磁性材料的力磁耦合理論，推導(dǎo)了應(yīng)變與矯頑力的計(jì)算公式，結(jié)合廣義胡克定律得到了適用于管道雙向應(yīng)力狀態(tài)下的力磁耦合模型，提出了利用矯頑力測(cè)量管道應(yīng)力的測(cè)試方法。

(2)通過單向拉伸試驗(yàn)標(biāo)定了X80管線鋼的磁彈性應(yīng)變系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨拉應(yīng)力增加，平行于應(yīng)力施加方向的矯頑力值緩慢減小，垂直于應(yīng)力施加方向的矯頑力值線性增大，矯頑力的變化與其垂直方向應(yīng)變有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)利用矯頑力法測(cè)量了X80鋼焊接管道的殘余應(yīng)力，并與盲孔法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。X80鋼管道焊接殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，兩種方法所測(cè)軸向殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，數(shù)值存在一定差別，驗(yàn)證了矯頑力法的可行性。

以上結(jié)論證明矯頑力法測(cè)量管道軸向殘余應(yīng)力的可行性，是承壓管道殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)的有效方法。未來(lái)需考慮材料塑性階段應(yīng)力或應(yīng)變對(duì)矯頑力影響，完善矯頑力-應(yīng)力數(shù)學(xué)量化模型。