基于矯頑力的管道剩磁應力檢測技術(shù)研究

田野，羅寧，劉劍，張賀，趙康，李坤

基于矯頑力的管道剩磁應力檢測技術(shù)研究

田野1，羅寧2，劉劍1，張賀2，趙康1，李坤1

（1.國家管網(wǎng)集團西部管道有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

剩磁應力檢測技術(shù)可對鐵磁性材料的應力集中程度進行有效檢測，在長輸油氣管道內(nèi)檢測領(lǐng)域具有巨大發(fā)展?jié)摿?。然而，剩磁應力檢測技術(shù)的機理尚不完善，剩磁信號與應力關(guān)系難以量化計算，導致剩磁應力檢測無法實現(xiàn)管道損傷的量化測量，嚴重影響了該技術(shù)在管道內(nèi)檢測領(lǐng)域的應用。根據(jù)磁疇模型解釋了管道剩磁產(chǎn)生機理，通過矯頑力建立剩磁與應力的對應關(guān)系,分析了剩磁信號隨管道外應力的變化特征。研究結(jié)果表明，鐵磁性材料的不可逆磁化是產(chǎn)生剩磁的原因，隨著管道外應力的增加剩磁信號有逐漸增大的變化規(guī)律。

剩磁； 管道； 應力； 磁疇； 矯頑力

管道運輸是油氣運輸?shù)闹饕侄?，管道安全檢測已成為當前研究的重要課題[1-2]。管道長時間受外部載荷、高溫、高壓等作用，管道壁產(chǎn)生微觀損傷形成應力集中，有些應力集中區(qū)將演變成宏觀裂縫，引發(fā)油氣管道爆裂等災害[3-4]。2019年7月，墨西哥的油氣管道爆炸事故，不僅嚴重污染環(huán)境，更導致了大量人員傷亡，造成不可估量的危害。

長輸油氣管道內(nèi)檢測利用油氣等傳輸介質(zhì)推動檢測器在管道內(nèi)行走，實時檢測和記錄管道的變形、腐蝕等損傷情況，是目前國際上公認最精準、高效的管道安全維護手段[5-8]。但是，常規(guī)的漏磁、射線、超聲、渦流等無損檢測技術(shù)，只能對材料的宏觀體積缺陷進行檢測，不能進行早期的微觀損傷在線檢測[9-10]，因此無法避免由于應力損傷所引起的突發(fā)事故。剩磁應力檢測技術(shù)利用鐵磁材料被強磁磁化后的剩磁信號檢測應力損傷，能對鐵磁性材料的早期損傷和應力集中進行檢測與評估，支持非接觸、動態(tài)在線檢測[11-12]，在長輸油氣管道內(nèi)檢測領(lǐng)域具有巨大應用潛力。

目前，剩磁檢測技術(shù)已經(jīng)初步被應用于長輸油氣管道的應力內(nèi)檢測，但對于剩磁檢測技術(shù)的理論研究仍處于初級階段，機理的研究成為剩磁檢測技術(shù)的瓶頸[13]，嚴重影響剩磁檢測技術(shù)在管道內(nèi)檢測領(lǐng)域的應用。本文根據(jù)磁疇理論建立磁力學模型，分析了管道剩磁的產(chǎn)生機理。利用鐵磁性材料的特征參數(shù)矯頑力計算剩磁與應力的對應關(guān)系，分析剩磁信號隨管道外應力的變化特征，以及不同管道應力損傷下管道剩磁檢測信號特性變化，為利用剩磁檢測技術(shù)進行管道應力內(nèi)檢測提供更多理論依據(jù)。

1 管道剩磁應力檢測模型建立

管道壁磁化到磁飽和后，將外磁場減小到零，這時管道壁對外仍然顯磁性[14-15]，此時管道壁的剩余磁化強度即為剩磁[16-18]。當管道壁處于原始中性狀態(tài)時，各個磁疇的磁化矢量方向是雜亂無章的，所以對外不顯磁性。施加外磁場會使管道壁發(fā)生磁化矢量轉(zhuǎn)動和磁疇壁位移，使其磁化方向指向外磁場方向。沿外磁場的磁化強度M可以表示為：

通過式（1）可知，管道壁磁化強度的變化來源于3個方面。首先是磁疇體積的變化，即磁疇壁的位移；其次是磁化矢量與外磁場方向夾角的變化，即磁化矢量的轉(zhuǎn)動；最后是磁化矢量大小的改變。因此，當外磁場發(fā)生變化時產(chǎn)生的?M可表示為：

疇壁的位移和磁疇的轉(zhuǎn)動分為可逆和不可逆兩種情況?？赡娲呕礊槌蜂N磁化的外磁場后，管道壁的磁化狀態(tài)可以從被磁化后的狀態(tài)按原路恢復到原始狀態(tài)。但在實際情況中，由于管道壁內(nèi)部的缺陷、材料屬性和內(nèi)應力會產(chǎn)生不可逆的位移，即巴赫豪森跳躍。假設180°疇壁在方向上發(fā)生位移，其疇壁能密度為()，?()/?則是180°疇壁位移時引起的疇壁能密度變化。180°疇壁的位移可以表示為：

式中，S為飽和磁化強度，A/m，；0為真空磁導率，H/m；為外磁場，=0時，180°疇壁的疇壁能密度()最小，此時，?γ()/?=0，而[?2γ()]/?2>0，180° 疇壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。此時增加外磁場，疇壁發(fā)生位移，設單位面積的疇壁沿方向位移為?，則位移方程為：

繼續(xù)增加外磁場，當[?2γ()]/?2>0時疇壁發(fā)生可逆位移，即疇壁可以返回到起始點。若繼續(xù)增大外磁場使[?γ()/?]max最大，磁疇壁處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會經(jīng)過[?γ()/?]<[?γ()/?]max的區(qū)域，直到再次取得[?γ()/?]max為止，此時發(fā)生巴赫豪森跳躍，當再次減小到零時，磁疇壁無法按原路退回到最初位置，管道壁在外磁場方向保留剩余的磁化強度。疇壁位移到[?γ()/?]max所需要的外磁場為不可逆疇壁位移磁化過程的臨界磁場0，其表達式為:

由于鐵磁性材料的各向異性，磁化矢量會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)動。這種不可逆的疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動會使管道壁無法在撤銷外磁場后從被磁化的狀態(tài)按原路恢復到原始狀態(tài)，從而產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，即為剩磁M。

2 磁力學關(guān)系計算

當管道壁磁化到磁飽和后，磁場強度=S，其中S為飽和磁場強度。此時磁化強度為飽和磁化強度S，若減小磁場強度，其磁化強度也相應減小，但是在為零時，并不為零，此時磁化強度為剩磁R。若想讓磁化強度等于零，需要進行反向磁化，在反向磁化過程中存在一個重要的磁化參數(shù)——矯頑力，即管道壁磁化到飽和之后，需要施加反向磁場使其磁感應強度降低為零。應力和材料屬性決定矯頑力的大小，臨界磁場也由應力和材料屬性決定，矯頑力C與臨界磁場0成正比，則矯頑力可表示為：

式中為常系數(shù)，其最大值為1。

由于多晶體的各個晶粒應力分布不同，導致各個部分0的大小不等。將穩(wěn)定狀態(tài)下的0代入式（6），則C可近似地表示為：

式中，S為磁致伸縮量；為外應力，MPa。

根據(jù)式（7）可知，矯頑力隨著外力的增大而線性增加。施加一個退磁場H=，使管道壁的剩余磁化強度減小到零，其中為退磁因子，-N=H/M。將磁疇設想為長橢球形，長短軸長度分別為和，且>，若外磁場沿軸方向使磁疇轉(zhuǎn)動，磁矩偏離軸的角度為，則磁場能為：

由于磁矩在和兩軸有M和M兩個分量，設軸和軸的退磁因子分別為1和2，由于退磁場H=-NM，則可得退磁能為：

因M=MScos，M=MSsin，故磁疇的總能可表示為：

為確定穩(wěn)定狀態(tài)，令：

解得：

將式（11）求解二階導數(shù)，解得應力的磁疇平衡條件為：

臨界磁場0存在臨界角，同時滿足式（12）、式（13），將式（12）、式（13）相除可得tan=1/2 tan2，所以得出=0，求得臨界磁場強度為：

對于立方系晶體，處于無序狀態(tài)的單軸各向異性的微晶粒，其剩磁R可表示為：

將式（14）、式（15）代入式（7）可得剩磁與外應力的關(guān)系式為：

根據(jù)式（16）可以得到剩磁R與管道外應力的對應關(guān)系，可以看出剩磁信號隨著管道外應力的增加而增加。通過剩磁信號的強弱可進一步計算管道壁所受外應力，進而進行管道應力檢測。

3 模型仿真計算及結(jié)果分析

3.1 仿真模型的建立

管道剩磁應力檢測仿真模型如圖1所示。以Q235管道壁截取鋼板為研究對象，采用ANSYS仿真軟件，建立磁力學仿真模型[19]。利用仿真軟件設置一個磁場強度為50 μT的均勻磁場，磁矢量大小一致，方向相同。模擬地磁場空氣環(huán)境，建立長為200 mm、寬為60 mm、厚為15 mm的鋼板模型。在鋼板上存在長60 mm、寬4 mm、深2 mm的應力區(qū)，根據(jù)Q235鋼的實際物理特性，設置材料屬性泊松比為0.3、彈性模量為21 000 000 Pa時進行仿真，將鋼板模型置于磁導率為1 H/m的空氣層三維空間中，設置磁導率為380 H/m，掃描路徑設置為20 mm。

圖1　管道剩磁應力檢測仿真模型

模型建立后進行布爾運算，并根據(jù)各個材料的磁學特征，對各部分分配屬性，之后進行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格后，對空氣施加邊界條件，模擬地磁場分布，磁場分布情況如圖2所示。

圖2　磁場分布情況

讀取仿真結(jié)果，對試件沿長度方向進行掃描，可得剩磁的磁學信號特征具有軸向極大值、法向過零點的特征，通過設置不同的矯頑力來表示不同勵磁下鋼板的剩磁情況，然后進行仿真來觀察在不同載荷情況下鋼板的磁信號。剩磁信號特征如圖3所示。

圖3　剩磁信號特征

3.2 結(jié)果分析

仿真模型分為三軸，其中為徑向，即拉力方向，是研究的主要方向，仿真后提取方向的折線圖可以直觀地觀察不同載荷下掃描路徑的剩磁大小。通過仿真得到在拉力分別為106.0、159.0、211.5 kN及233.0 kN的情況下鋼板上的剩磁大小。管道剩磁隨外應力變化如圖4所示。

圖4　管道剩磁隨外應力變化

從圖4可以看出，隨著外應力的增加，剩磁信號逐漸增大，且管道壁外應力與剩磁信號之間存在很好的線性關(guān)系，可以以此進行應力檢測。

4 驗證實驗

為驗證理論模型的正確性，提高管道剩磁應力內(nèi)檢測的工程應用能力，設計了管材拉伸磁力學關(guān)系實驗。

4.1 實驗材料

本次實驗采用Q235管道壁截取鋼板母材（見圖5），其屈服強度為235MPa，鋼板長、寬、厚分別為600、60、15 mm。弱磁信號采集裝置及試件檢測方向如圖6所示。此儀器采用三軸磁阻探頭，工作原理在于測量被檢測對象表面磁場的分布，精度較高，達到nT級。

圖5　Q235管道壁截取鋼板

圖6　弱磁信號采集裝置及試件檢測方向

4.2 實驗過程

采用東方試驗儀器公司型號為WAW-2000的液壓式萬能試驗機，最大施加載荷為2 000 kN。實驗現(xiàn)場如圖7所示。將鋼板固定在拉伸機上，并將線圈套在鋼板上，將磁阻傳感器固定在鋼板中心表面，拉力穩(wěn)定為屈服點的50%。記錄電流強度分別為10.0、7.5、5.0、2.5 A時鋼板表面磁信號強度，勵磁方向與拉力方向相同。每次加載電流前要進行退磁處理，保證退磁后鋼板端部磁感應強度小于0.3 mT。全部測量完成后，將拉力改為屈服點的75%、100%、110%，重復上述實驗。

圖7　實驗現(xiàn)場

4.3 實驗結(jié)果及分析

實驗采用三根完全一致的Q235鋼板進行3次重復性實驗，隨機采用一根進行分析。在剩磁場環(huán)境下，施加外界磁場激勵將鋼板母材磁化，然后撤去外界激勵磁場，隨拉力的增加，鋼材所受外應力逐漸增加，鋼板的剩磁隨拉力變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，在不同勵磁電流下，法向和切向剩磁信號隨拉力的增大而呈減小趨勢，沿拉力方向剩磁信號隨拉力增大而增大，因此剩磁信號隨著應力的增大而增大；在75%的材料屈服應力內(nèi)拉伸時，拉力方向剩磁信號變化梯度較小，當材料接近屈服時，剩磁信號變化梯度變大。根據(jù)勵磁電流的強度，2.5 A電流相當于10 kA/m的外界激勵磁場，根據(jù)剩磁信號的變化趨勢可知鋼板在10 kA/m的外界磁場下達到磁飽和，因此激勵電流的增加不會影響鋼板的剩磁信號。

圖 8　鋼板的剩磁隨拉力變化曲線

5 結(jié) 論

長輸油氣管道應力內(nèi)檢測是國際管道安全評估領(lǐng)域前沿課題，剩磁應力檢測技術(shù)在該領(lǐng)域具有巨大應用潛力。然而，由于剩磁應力檢測技術(shù)理論研究不足，剩磁與應力的對應關(guān)系尚不清楚，許多現(xiàn)象無法給出合理解釋，無法使用剩磁檢測技術(shù)對管道應力損傷進行有效檢測。采用磁疇模型，解釋了管道壁剩磁信號的產(chǎn)生機理，證明了剩磁隨管道應力增大而增大的對應關(guān)系，為管道剩磁應力內(nèi)檢測的進一步研究提供了新的思路。

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Research on Detection Stress Technology of Residual Magnetic Based on Coercive Force

Tian Ye1， Luo Ning2， Liu Jian1， Zhang He2， Zhao Kang1， Li Kun1

（1.West Pipeline Company of PipeChina，Urumqi Xinjiang 830000，China；2.School of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870，China）

The residual magnetic stress detection technology can effectively detect the stress concentration of ferromagnetic materials, and has great potential in the field of long-distance oil and gas pipeline stress detection. However, due to the imperfect mechanism of the residual magnetic stress detection technology, the relationship between the residual magnetic signal and the stress is difficult to calculate quantitatively, resulting in the quantitative measurement of the residual magnetic stress detection, which seriously affects the application of the technology in the field of pipeline detection. In this paper, the mechanism of remanence generation is explained based on the magnetic domain model. Correspondence between remanence and stress is established by coercive force. The changing characteristics of remanence signal with the change of stress are analyzed and verified by experiments. The research results show that the irreversible magnetization of ferromagnetic materials is the cause of residual magnetism; as the external stress increases, the residual magnetism signal has a gradually increasing change rule.

Remanence； Pipe； Stress； Magnetic domain； Coercive force

TE832

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.014

1672-6952（2021）04-0085-06

http：//journal.lnpu.edu.cn

2020-09-15

2020-11-22

遼寧省自然科學基金面上項目（2019-MS-243）。

田野（1987-），男，高級工程師，從事管道完整性及內(nèi)檢測技術(shù)方面研究； E-mail：jqty@petrochina.com.cn。

羅寧（1991-），男，博士研究生，從事儀器科學與技術(shù)方面研究；E-mail：ilccmm@163.com。

（編輯 陳 雷）