谷 偉

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452）

0 引 言

近年來，隨著深海裝備的研發(fā)及海洋油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多種形式的海底管線和立管投入使用。海洋立管的安全與否直接影響海上油氣生產(chǎn)與海洋生態(tài)環(huán)境，海洋立管長期服役于惡劣的海洋環(huán)境中，承受海風(fēng)、波浪、海流等復(fù)雜自然環(huán)境載荷作用，其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大、破壞概率較高，嚴(yán)重情況下會(huì)造成海洋環(huán)境生態(tài)破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。疲勞破壞和應(yīng)力性損傷是海洋立管的主要損傷形式。針對海洋立管應(yīng)力狀況的檢測是一種行之有效的檢測手段，可以通過檢測獲取海洋立管應(yīng)力分布狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對海洋立管壽命預(yù)測［1-5］。目前金屬磁記憶檢測技術(shù)缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究支撐，受材料本身磁特性影響較大。開展多種應(yīng)力載荷條件下典型的海洋立管材質(zhì)試樣磁記憶效應(yīng)規(guī)律及機(jī)理研究，將為金屬磁記憶檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋立管檢測奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并為利用磁記憶檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋立管壽命預(yù)測提供評判依據(jù)［6-13］。

磁記憶檢測技術(shù)作為一種弱磁檢測技術(shù)用于實(shí)應(yīng)力檢測時(shí)，需要磁記憶檢測傳感器本身具備較高的靈敏度、較寬的線性區(qū)間、較低的磁滯。同時(shí)，由于容易受到實(shí)驗(yàn)室工頻設(shè)備的干擾，在磁敏感元件的選型及放大濾波電路的設(shè)計(jì)上要求具備較好的低通特性及較強(qiáng)的抗干擾能力。為實(shí)現(xiàn)對多種應(yīng)力載荷條件下典型海洋立管材質(zhì)在線磁記憶信號(hào)掃描檢測，需要獨(dú)立設(shè)計(jì)磁記憶信號(hào)掃描檢測配套構(gòu)件，以方便將其安裝于試驗(yàn)機(jī)側(cè)。此外，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對試驗(yàn)的前置預(yù)處理也是本課題面臨的一個(gè)難點(diǎn)。課題計(jì)劃針對典型海洋立管材質(zhì)試樣進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，建立了不同應(yīng)力載荷條件下磁記憶信號(hào)相關(guān)特征參量與應(yīng)力參量的對應(yīng)關(guān)系模型［14-17］。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要試驗(yàn)裝置

①M(fèi)TS810 250高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)：MTS810 250疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖1所示，該裝置的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 MTS810 250疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.1 MTS810 250 fatigue tester

表1 疲勞試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of fatigue tester

②磁記憶檢測系統(tǒng)：磁記憶檢測系統(tǒng)主要包括磁記憶傳感器、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、電源、數(shù)據(jù)采集器和 PC。其中磁記憶傳感器在 NI 數(shù)據(jù)采集器的控制下對加載預(yù)定循環(huán)次數(shù)的試樣表面進(jìn)行磁信號(hào)采集。磁記憶檢測系統(tǒng)組成如圖2所示，磁記憶檢測參數(shù)如表2所示。

圖2 磁記憶檢測系統(tǒng)Fig.2 Magnetic memory testing system

表2 磁記憶檢測參數(shù)Tab.2 Magnetic memory testing parameters

1.1.2 試驗(yàn)材料

為研究海洋立管拉伸疲勞條件下的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律，采用典型海洋立管材料X52、X70、X80鋼通過機(jī)械加工制備試樣。X52、X70、X80鋼作為常見的管道鋼，具有良好的機(jī)械性能。

1.2 試驗(yàn)方法及步驟

拉伸疲勞試驗(yàn)流程如圖3所示。利用手持式顯微鏡對試樣缺口寬度和深度進(jìn)行觀測拍照，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)開始試驗(yàn)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定間隔△T1時(shí)，停機(jī)完成磁記憶信號(hào)采集，當(dāng)裂紋萌生后，將疲勞間隔縮小為△T2，直至試樣發(fā)生斷裂。疲勞試驗(yàn)后，利用高溫線切割機(jī)對試樣斷裂部位進(jìn)行切割，對試樣進(jìn)行清洗，烘干后對斷口進(jìn)行電鏡掃描。整個(gè)疲勞試驗(yàn)步驟流程如圖3所示。

圖3 拉伸疲勞試驗(yàn)流程圖Fig.3 Flow chart of tensile fatigue test

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

對典型海洋立管材料 X80 鋼通過機(jī)械加工而成的帶預(yù)制缺陷試樣進(jìn)行不同應(yīng)力等級下的拉伸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)2次，共3組。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞過程裂紋擴(kuò)展基本情況

對試樣裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行圖像監(jiān)控拍攝。X80鋼試樣的疲勞斷裂過程如圖4所示。

圖4 X80-006 #試樣疲勞過程裂紋擴(kuò)展情況Fig.4 X80-006 # sample fatigue process crack growth

在循環(huán)周次小于4 000時(shí)，試樣表面沒有裂紋萌生，4 000次后裂紋開始萌生，隨著循環(huán)周次的增加，裂紋開始緩慢增長，并隨著循環(huán)周次進(jìn)一步增加。本試驗(yàn)中裂紋的擴(kuò)展規(guī)律符合疲勞試驗(yàn)的一般規(guī)律。

2.2 疲勞過程中磁記憶檢測原始信號(hào)變化規(guī)律

對X80鋼試樣進(jìn)行了不同應(yīng)力工況下的疲勞拉伸試驗(yàn)，首先對X80-006 #試樣進(jìn)行了最大應(yīng)力為550 MPa、應(yīng)力比0.1工況下的拉伸試驗(yàn)。磁記憶檢測結(jié)果如圖5所示（圖中1 Gs=10-4T，下文同）。

圖5 X80-006 #試樣不同循環(huán)周次后試樣表面磁記憶信號(hào)： （a）切向 （b）法向Fig.5 X80-006 # sample surface magnetic memory signal after different cycles：(a)tangent (b)normal

疲勞過程中，X80-006 #試樣磁記憶切向信號(hào)逐漸降低，且在預(yù)制缺口附近有極值；試樣磁記憶法向信號(hào)在缺口兩側(cè)有畸變，左側(cè)有畸變值遞增的趨勢，右側(cè)有畸變值遞減的趨勢。為驗(yàn)證磁記憶檢測信號(hào)變化規(guī)律的重復(fù)性，使用相同材料的另一試樣（X80-010 #）開展了同工況下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，X80-010 #試樣的磁記憶檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 X80-010 #試樣不同循環(huán)周次后試樣表面磁記憶信號(hào)： （a）切向 （b）法向Fig.6 X80-010 # sample surface magnetic memory signal after different cycles：(a)tangent (b)normal

對比圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，在同一工況下，磁記憶檢測信號(hào)變化趨勢完全相同，試驗(yàn)周次一致性為96.4%，重復(fù)性良好。可以基于此數(shù)據(jù)進(jìn)一步深入分析X80鋼疲勞過程中的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律。

2.3 疲勞過程中磁記憶檢測信號(hào)特征參數(shù)提取

為探究能夠反映海洋立管拉伸疲勞損傷過程的磁記憶檢測信號(hào)參數(shù)，在上節(jié)對磁記憶原始信號(hào)分析的基礎(chǔ)上對原始信號(hào)進(jìn)一步處理分析。選取磁記憶檢測切向信號(hào)進(jìn)一步分析來提取特征參數(shù)［22-29］。

首先為了消除背景磁場的影響，對磁記憶檢測切向信號(hào)進(jìn)行了去背景處理，如圖7所示。

圖7 X80試樣去背景處理后的磁記憶切向信號(hào)： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.7 X80 sample magnetic memory tangential signal after background processing：(a)006 # sample (b)010 # sample

初始狀態(tài)下，疲勞產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的磁場與初始漏磁場方向相反。當(dāng)裂紋萌生前，預(yù)制缺陷處的磁記憶信號(hào)峰值已經(jīng)降低到零附近，隨后開始反方向增加，且隨著疲勞周次的增加，信號(hào)峰值增加的速度也逐漸增加。與疲勞過程裂紋擴(kuò)展的規(guī)律一致，提取去背景磁記憶信號(hào)極值作為特征參數(shù)［18-21］。

去背景磁記憶信號(hào)極值HE(x) 特征參數(shù)的提取算法如式（1）～（3）所示。

其中：H(x)單位為（1 Gs=10-4T，下同）Gs。

提取的特征參數(shù)HE(x) 隨疲勞周次的變化如圖8所示。

圖8 X80試樣特征參數(shù)HE (x)隨疲勞周次的變化： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.8 X80 sample characteristic parameter HE (x) change with fatigue cycle：(a)006 # sample (b)010 # sample

提取的特征參數(shù)HE(x) 在裂紋萌生時(shí)出現(xiàn)了過零點(diǎn)的現(xiàn)象，隨著疲勞周次增加，HE(x) 的增速也逐漸加大，與疲勞過程裂紋擴(kuò)展的規(guī)律一致。

進(jìn)行梯度處理，磁記憶信號(hào)變化如圖9所示。

圖9 X80試樣梯度處理后的磁記憶切向信號(hào)： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.9 X80 sample tangential magnetic memory signal after gradient treatment：(a)006# sample(b)010# sample

磁記憶梯度信號(hào)在預(yù)制缺陷附近出現(xiàn)了極大值和極小值，提取磁記憶信號(hào)去背景梯度信號(hào)極值連線斜率作為特征參數(shù)。具體提取方法如式（4）所示［30-32］。

式中：SK(x)為梯度信號(hào)極值連線斜率；K(x)max為梯度信號(hào)的極大值，GS；K(x)min為梯度信號(hào)的極小值，GS；lmax為梯度信號(hào)的極大值所在的橫坐標(biāo)，mm；lmin為梯度信號(hào)極小值的橫坐標(biāo)，mm。

提取的特征參數(shù)SK(x)隨疲勞周次的變化如圖10所示。

圖10 X80試樣特征參數(shù)SK (x)隨疲勞周次的變化： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.10 X80 sample characteristic parameter SK (x) change with fatigue cycle: (a)006 # sample(b)010 # sample

X80-006 #試樣疲勞斷裂的過程裂紋在4 000次左右萌生，特征信號(hào)參數(shù)SK(x) 在4 000次附近過零點(diǎn)。這表明，提取的特征參數(shù)SK(x) 和HE(x) 能夠很好地反映試樣的疲勞破壞過程，可用于海洋立管疲勞損傷的監(jiān)測。

2.4 不同載荷工況下的疲勞斷口形貌

試樣疲勞斷裂后使用掃描電鏡對疲勞斷口進(jìn)行了分析。典型的疲勞拉伸斷口宏觀形貌如圖11所示，疲勞斷口的微觀形貌如圖12所示。

圖11 X80-006 #試樣疲勞斷裂斷口Fig.11 Macromorphology of fatigue fracture of X80-006 # sample

圖12 X80-006 #試樣疲勞斷裂斷口微觀形貌Fig.12 Macromorphology of fatigue fracture of X80-006 # sample

在裂紋擴(kuò)展區(qū)存在較多二次微裂紋，同時(shí)可以明顯發(fā)現(xiàn)疲勞破壞典型特征之一的疲勞輝紋，而在斷口瞬斷區(qū)主要以剪切唇的形式存在［33-37］。

3 結(jié) 論

①疲勞拉伸過程中，海洋立管典型材質(zhì)試樣經(jīng)過大量循環(huán)后，試樣會(huì)在預(yù)制缺陷處萌生裂紋。在裂紋萌生后，隨著循環(huán)周次的增加，裂紋開始緩慢增長，隨著循環(huán)周次的進(jìn)一步增加，相同循環(huán)周次后，裂紋擴(kuò)展速率逐漸增大。斷裂前，裂紋快速擴(kuò)展。

②疲勞拉伸過程中，海洋立管典型材質(zhì)試樣磁記憶切向信號(hào)逐漸降低，且在預(yù)制缺口附近有極值；試樣磁記憶法向信號(hào)在缺口兩側(cè)有畸變，左側(cè)有畸變值遞增的趨勢，右側(cè)有畸變值遞減的趨勢；隨著循環(huán)周次的增加，切向信號(hào)下降速度及法向信號(hào)畸變速度都逐步升高；當(dāng)試樣接近斷裂時(shí)，切向信號(hào)值極速下降，法向信號(hào)快速畸變。斷裂后，試樣切向磁場在斷口出現(xiàn)峰值，法向磁場改變方向。

③特征參數(shù)HE(x) 在裂紋萌生時(shí)出現(xiàn)了過零點(diǎn)的現(xiàn)象，且隨著疲勞周次的增加，HE(x) 增速也逐漸加大，與疲勞過程裂紋擴(kuò)展的規(guī)律一致。

④特征參數(shù)SK(x) 在裂紋萌生時(shí)出現(xiàn)了過零點(diǎn)的現(xiàn)象，且隨著疲勞周次的增加，SK(x) 增速也逐漸加大，與疲勞過程裂紋擴(kuò)展的規(guī)律一致。

⑤本文提取的特征參數(shù)SK(x) 和HE(x) 能夠很好地反映試樣的疲勞破壞過程，可用于海洋立管疲勞損傷的監(jiān)測。