管道剩磁產(chǎn)生機理及消磁工藝

張豐收，白 麗，霍波波

（河南華電金源管道有限公司，河南 鄭州 451162）

0 引言

在管道預制過程中，合金鋼管道經(jīng)常會出現(xiàn)帶磁現(xiàn)象，即管道剩磁，當剩磁達到一定強度，組合焊接容易產(chǎn)生電弧偏吹現(xiàn)象。電弧偏吹輕則易出現(xiàn)焊接缺陷，影響焊接質(zhì)量，重則導致焊接工作無法進行，制約生產(chǎn)進度。焊接電弧微觀結構是由運動的正負電荷組成，運動電荷產(chǎn)生的電流促使電弧周圍產(chǎn)生均勻分布的感應磁場。當待焊管口存在剩磁時，焊接電弧周圍的均勻磁場會被破壞，受力不均勻的電弧將偏離焊條的軸線方向，與電極軸形成傾斜角度，產(chǎn)生電弧偏吹，即磁偏吹[1]，見圖1 所示。

圖1 電弧偏吹示意圖

目前國內(nèi)研究帶磁材料焊接主要以石油和化工領域油氣現(xiàn)場施工管道為主，管道壁薄，消磁工藝有一定效果，但對工廠化配管的厚壁金屬管道，采取常規(guī)的消磁手段無法解決此類問題。因此，本研究分析剩磁產(chǎn)生機理和管道剩磁產(chǎn)生原因，確定剩磁對焊接焊接造成的危害；同時，開展管道工藝消磁試驗，研究出一種操作簡單、方便高效、成本低廉的磁性中和抵消方法，可以確保管道剩磁不影響焊接操作和焊接質(zhì)量。

1 剩磁產(chǎn)生機理

物質(zhì)的磁性是普遍存在的，磁性材料內(nèi)部分成很多微小的區(qū)域，每一個微小區(qū)域就叫一個磁疇，每一個磁疇都有自己的磁矩（即一個微小的磁場）。一般情況下，當各個磁疇的磁矩方向不同，磁場互相抵消，整個材料對外不顯示磁性；當各個磁疇的方向趨于一致時，整塊材料對外就顯示出磁性，如圖2 所示。而磁化是受磁場的作用，材料中磁矩排列方向趨于一致而呈現(xiàn)出一定的磁性的現(xiàn)象。因此，當對外不顯磁性的材料被放進另一個強磁場中時會被磁化，一旦材料磁化且磁場移除，磁疇仍排列有序，材料保持其磁性，即為材料的剩磁。

圖2 材料磁性顯示圖

2 管道剩磁產(chǎn)生原因

導致管道被磁化的原因有多種，從產(chǎn)生原因基本可以分為2 類，即感應帶磁和工藝帶磁[2-3]。

2.1 感應帶磁的原因

感應帶磁主要有以下5 個原因：（1）采用電磁設備進行吊裝；（2）管材存放位置有強磁場，或者受到強力供電線、高壓線、電氣化鐵路、機場等環(huán)境的影響；（3）用直流電焊接管道時產(chǎn)生的磁場；（4）磁粉檢測時對工件的磁化；（5）管道軸線與地磁場方向一致并受到?jīng)_擊或振動被地磁場磁化。

2.2 工藝帶磁的原因

工藝帶磁主要有以下4 個原因：（1）金屬熔煉或管材制造工藝；（2）角磨機打磨管口，強摩擦引起坡口帶磁；（3）采用中頻加熱法對管道進行熱處理；（4）管內(nèi)介質(zhì)高速流動，與管壁摩擦產(chǎn)生的靜電產(chǎn)生的磁場。

3 剩磁對焊接的影響

3.1 剩磁對焊接的危害

首先，若管道存在剩磁，氬弧焊的焊絲和手工電焊條就會因磁性粘連在坡口上，造成無法引弧，影響施焊。其次，焊接時產(chǎn)生的電弧偏吹會引起電弧強烈的擺動，削弱電弧周圍的保護氣氛，使熔池中易混入空氣等有害氣體，導致形成氣孔等缺陷；電弧偏吹使電弧燃燒不穩(wěn)定，飛濺加大，熔滴下落時失去保護，嚴重影響焊縫的成形，容易形成未焊透缺陷；電弧偏吹嚴重時，會導致電弧不易引燃，甚至發(fā)生息弧，無法焊接[4]。

因此，管道剩磁的存在不僅影響焊接，給焊接造成很大困擾，同時，影響焊道成型，嚴重影響焊接質(zhì)量，對管道安全運行帶來極大的安全隱患，給企業(yè)帶來巨大的損失。

3.2 剩磁強度的影響

金屬材料的矯頑力不同，對矯頑力大的材料，采取措施并不能完全消除金屬管道剩磁磁場，只能減弱其對焊接的不良影響。當剩磁不足以影響焊接過程和焊接質(zhì)量時，允許焊接。根據(jù)研究，剩磁強度與焊接影響關系見表1[5]。

表1 磁感應強度與焊接關系

4 消磁工藝試驗及結果

本試驗以印尼玻雅項目2×660MW 坑口電站工程高溫高壓管道工廠化預制為例，管道材質(zhì)為A691Gr91-CL42，規(guī)格OD660*22.23，對接組合后焊口磁性較大，坡口處磁感應強度為100 Gs ～125 Gs，局部200 mm 區(qū)域最大磁感應強度達到200 Gs，焊條直接吸附在坡口上，導致無法施焊。

4.1 永磁鐵消磁方法

4.1.1 永磁鐵消磁試驗方法

本試驗重點采用永磁鐵消磁法進行消磁焊接。試驗準備2 塊圓環(huán)餅狀永磁鐵，尺寸為Φ40 mm/Φ(10 mm×10 mm)，利用高斯計確定磁鐵的南北極。管子組合固定后，用高斯計檢測坡口兩側磁感應強度和方向，將2 塊磁鐵的N 極放置在管子坡口的S 極，使兩磁鐵拉開一定距離，如圖3 所示，然后沿坡口移動2 塊磁鐵，直至兩磁鐵間有區(qū)域剩磁降低至0 ～20 Gs 時，該區(qū)域可進行焊接，如圖4 所示；然后移動磁鐵至下一個區(qū)域進行同樣的操作，直至整圈焊口焊接完成。

圖3 磁鐵擺放示意圖

圖4 永磁鐵消磁焊接過程

4.1.2 永磁鐵消磁試驗結果

根據(jù)永磁鐵的磁感應強度，將磁鐵放置在管道坡口合適的位置，當2 塊磁鐵拉開一定距離，磁鐵與管道剩磁相互中和抵消，磁鐵之間區(qū)域距離磁鐵越遠的點，磁場強度越小，至兩磁鐵的之間某個位置，磁性抵消至20 Gs，此處為可正常施焊區(qū)，試驗中永磁鐵的磁感應強度和磁鐵間距不同，磁性抵消的區(qū)域大小也不同，消磁的效果也不相同。

為了得到合適消磁效果，本實驗以一組2 塊磁鐵為例，其磁感應強度分別為1140 Gs 和1320 Gs，經(jīng)過多次試驗測量發(fā)現(xiàn)，當磁鐵拉開不同間距所對應的磁性抵消至20 Gs 以下的范圍見表2。

從表2 可知，當磁鐵間距為100 mm 時，其中間點磁場強度為20 Gs；當磁鐵間距為120 ～220 mm 時，其中間25 ～150 mm 長度間距的磁場強度小于等于20 Gs；當磁鐵間距為240 mm 時，其中間170 mm 長度間距的磁場強度小于等于20 Gs，達到消磁范圍的最大值；當磁鐵間距達到260 mm 時，由于兩磁鐵距離較遠，磁鐵的強度不足以抵消管道剩磁，因此無法起到消磁的效果。根據(jù)以上信息，為了實現(xiàn)焊接，便于焊接擺動，建議磁鐵間距設定約160 ～240 mm，消磁范圍約為85 ～170 mm 最為合適。

表2 磁鐵間距與磁性抵消范圍的關系

4.2 直流線圈繞線消磁法

利用高斯計確定管道剩磁的磁感應強度和方向，將截面面積約50 mm2的直流焊把線纏繞在剩磁管道上，線圈匝數(shù)可根據(jù)管道尺寸、剩磁大小調(diào)整，焊把線纏繞方向根據(jù)右手螺旋定則確定，保證外加磁場方向與管道剩磁方向相反。初始消磁時，電流可調(diào)至80 ～100 A，將焊接導線一端接直流電焊機，另一端裝入焊條的電焊鉗與金屬板接觸形成短路，短路間隔5 ～10 s，然后斷開；多次重復短路、斷開循環(huán)消磁過程，用高斯計檢測管道剩磁強弱，如圖5 所示，當管道磁感應強度低于20 Gs時，緩慢的減小電流至零，切斷電源停止消磁。

圖5 直流線圈消磁過程

由于直流線圈繞線消磁法受焊把線長度制約，繞線匝數(shù)有限，不能產(chǎn)生所需的磁感應強度；其次，磁感應強度大于100 Gs 的大管徑厚壁管道，需用較大的電流反復短路、斷開操作才能消磁，大電流容易使線圈發(fā)熱，無法連續(xù)消磁；另外，消磁過程中需時刻監(jiān)測管道磁感應強度的變化，不便于操作。因此，采用直流線圈繞線消磁法的消磁效果和優(yōu)勢并不明顯。

4.3 熱處理消磁法

熱處理消磁法是將焊口加熱超過居里溫度，使材料內(nèi)部磁疇由有序排列改變?yōu)闊o序排列，從而對外不顯示磁性，鋼的居里溫度約為760 ℃[6]，此溫度已超過低合金鋼的回火熱處理溫度。當管道加熱超過居里溫度時，相當于對焊口進行了熱處理，金屬的顯微組織和性能會發(fā)生變化，不符合標準要求。另外，熱處理消磁法會在坡口處產(chǎn)生大量氧化層，焊接前打磨氧化層工作強度高，效率低下。因此，采用熱處理消磁法的消磁效果和適用范圍不具有優(yōu)勢。

5 結論

通過管道消磁試驗發(fā)現(xiàn)，采用不同的消磁方法所需設備、耗時以及消磁效果各有不同。當采用直流線圈繞線消磁時，線圈發(fā)熱明顯，安全隱患較大，消磁過程受焊把線長度制約，繞線匝數(shù)有限，耗時長，效率低，導致消磁效果不明顯；采用熱處理消磁消耗大量燃氣，增加生產(chǎn)成本，同時在高溫下表層被氧化，增加打磨工作難度，且對于原始磁性較高的材料消磁效果越差。因此，采用永磁體消磁法，操作簡單，耗時短，消磁過程快捷有效。

（1）當采用永磁體消磁法時，利用永磁鐵和剩磁的磁性抵消中和原理，可以有效起到消磁的效果，根本上解決了焊接電弧偏吹問題，使得焊縫成型良好，焊接質(zhì)量合格。

（2）永磁體消磁法所用工具簡單、操作方便，消磁操作不受場地及環(huán)境制約，對于結構形式復雜的焊件也能采用，消磁過程耗時短，效果顯著。

（3）永磁鐵消磁法需根據(jù)使用永磁鐵的磁性大小和管道剩磁大小進行間距調(diào)整，以找到合適的磁鐵間距。