基于磁各向異性的管壁應(yīng)力集中區(qū)域檢測(cè)方法

楊理踐　呂志鵬　高松巍　鄭福印　劉斌

摘要：針對(duì)應(yīng)力集中導(dǎo)致管壁發(fā)生屈服失效的問(wèn)題，提出了利用磁各向異性檢測(cè)管壁應(yīng)力集中區(qū)域的方法。從能量角度出發(fā)，研究了應(yīng)力導(dǎo)致管壁產(chǎn)生磁各向異性的機(jī)理，建立了管壁當(dāng)量應(yīng)力與磁各向異性探頭輸出電壓信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算管壁的當(dāng)量應(yīng)力判斷其是否發(fā)生屈服失效，搭建了應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致管壁產(chǎn)生磁各向異性，磁各向異性檢測(cè)方法能夠檢測(cè)出管壁當(dāng)量應(yīng)力的變化趨勢(shì)和主應(yīng)力方向所在延長(zhǎng)線(xiàn)的角度，進(jìn)而判斷管壁是否產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。

關(guān)鍵詞：磁各向異性；管壁；屈服失效；第三強(qiáng)度理論；能量最低原理；能量守恒定律；磁化率；應(yīng)力集中區(qū)域

中圖分類(lèi)號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-1646（2024）01-0097-06

為了保障管道的安全運(yùn)行，需要定期對(duì)其進(jìn)行檢查與維護(hù)。管道在服役過(guò)程中，會(huì)受到內(nèi)壓、土壤和溫度等載荷的共同作用，局部應(yīng)力異常會(huì)導(dǎo)致管壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生屈服失效，出現(xiàn)疲勞裂紋以及應(yīng)力腐蝕裂紋。目前檢測(cè)應(yīng)力主要包括磁記憶、巴克豪森效應(yīng)和磁各向異性等磁學(xué)方法。

應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鐵磁性材料在不同方向上的磁學(xué)特性呈各向異性，利用這種特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的應(yīng)力檢測(cè)。OGNEVA等利用磁各向異性設(shè)計(jì)了由9個(gè)霍爾傳感器組成的圓形陣列式探頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型低碳鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的測(cè)量；張富臣等設(shè)計(jì)了磁各向異性檢測(cè)平臺(tái)，測(cè)量了Q195鋼板不同應(yīng)力條件下不同角度的磁滯回線(xiàn)，認(rèn)為應(yīng)力磁各向異性與剪應(yīng)力有關(guān)；李立新等設(shè)計(jì)了同材料的三足、四足和六足結(jié)構(gòu)的磁各向異性探頭，對(duì)靜拉伸狀態(tài)下16MnR鋼件進(jìn)行了探頭對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，六足結(jié)構(gòu)探頭靈敏度最高。

本文提出利用磁各向異性方法對(duì)管壁應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)的方法。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論判斷管壁是否發(fā)生屈服失效，基于能量最低原理解釋了應(yīng)力導(dǎo)致管壁產(chǎn)生磁各向異性的原因，基于能量守恒定律建立了磁化率與應(yīng)力的數(shù)學(xué)關(guān)系，基于等效磁路法建立了管壁當(dāng)量應(yīng)力與磁各向異性探頭輸出電壓信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。

1 管壁應(yīng)力集中區(qū)域與磁各向異性

3.1 應(yīng)力致磁各向異性實(shí)驗(yàn)

采用Q235鋼條進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，其體積為：600mm×60mm×16mm。將鋼條兩端夾持于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)鉗口處，在彈性范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)拉伸，應(yīng)力變化范圍為0-220MPa。探頭固定于鋼條中心位置，與鋼條中軸線(xiàn)的夾角分別為0°，30°，60°，90°，應(yīng)力每變化10MPa，探頭采集一次數(shù)據(jù)，不同角度下的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)探頭方向不變時(shí)，探頭輸出信號(hào)隨著應(yīng)力的增大而增大，且探頭輸出信號(hào)的變化越來(lái)越緩慢。即應(yīng)力會(huì)使材料內(nèi)部的磁化方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而改變探頭輸出電壓，且隨著應(yīng)力的增大，磁化方向趨于穩(wěn)定，逐漸形成穩(wěn)定的易磁化方向和難磁化方向。

3.2 鋼板主應(yīng)力方向檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)試件為未知應(yīng)力狀況的鋼板，長(zhǎng)度為200mm，寬度為200mm，厚度為8mm，在應(yīng)力待測(cè)位置粘貼45。直角應(yīng)變花。

實(shí)驗(yàn)先利用探頭對(duì)待測(cè)位置應(yīng)力角度進(jìn)行檢測(cè)，再利用小孔法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以小孔法檢測(cè)數(shù)據(jù)為真實(shí)值，探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)為檢測(cè)值，檢測(cè)結(jié)果對(duì)比情況如表1所示。

由表1可知，探頭對(duì)主應(yīng)力方向所在延長(zhǎng)線(xiàn)的角度檢測(cè)誤差在16°以?xún)?nèi)。誤差產(chǎn)生的原因：探頭擺放位置存在誤差；數(shù)據(jù)讀取存在視覺(jué)誤差；應(yīng)力使磁化強(qiáng)度方向旋轉(zhuǎn)，不能完全平行于應(yīng)力方向。

3.3 模擬管道當(dāng)量應(yīng)力數(shù)值檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)試件采用直徑為273mm，壁厚為7.5mm，長(zhǎng)度為4700mm的Q235鋼管。兩端進(jìn)行封閉處理，隨后向管道內(nèi)部壓人氮?dú)?，?nèi)壓在1-6MPa連續(xù)變化，模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)油氣管道受力狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將應(yīng)變花貼在模擬管道上方軸向中心位置，應(yīng)變花0°方向沿著管道軸向方向，90°方向沿著管道環(huán)向方向，利用應(yīng)變儀采集90°方向的應(yīng)力值減去0°方向的應(yīng)力值得到其當(dāng)量應(yīng)力，繪制出應(yīng)變儀檢測(cè)曲線(xiàn)。

探頭的擺放位置距離應(yīng)變花50mm處，且處于同一軸線(xiàn)。將探頭檢測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為當(dāng)量應(yīng)力后，對(duì)其進(jìn)行放大得到探頭檢測(cè)曲線(xiàn)，探頭檢測(cè)與應(yīng)變儀檢測(cè)的曲線(xiàn)對(duì)比如圖8所示。

由圖8可知，磁各向異性檢測(cè)曲線(xiàn)與應(yīng)變儀檢測(cè)曲線(xiàn)基本一致，證明可以利用磁各向異性方法對(duì)管壁當(dāng)量應(yīng)力進(jìn)行定性檢測(cè)。

3.4 模擬管道應(yīng)力集中區(qū)域檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)試件采用直徑為273mm，壁厚為7.5mm，長(zhǎng)度為1000mm的Q235鋼管。利用乙炔焊對(duì)管壁中心位置進(jìn)行灼燒，灼燒半徑為50mm的圓形區(qū)域，隨后用冷水冷卻，使管壁產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。

沿管道軸向方向繪制5條直線(xiàn)作為檢測(cè)路徑，分別命名為路徑1、路徑2、…、路徑5，其中路徑3穿過(guò)圓形區(qū)域中軸線(xiàn)，每條路徑之間的距離均為45mm，長(zhǎng)度均為300mm，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探頭分別沿著檢測(cè)路徑1-5向前運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，檢測(cè)信號(hào)受應(yīng)力的影響明顯，在應(yīng)力集中區(qū)域，信號(hào)出現(xiàn)明顯波動(dòng)；在域環(huán)方向，區(qū)域外部與區(qū)域內(nèi)部的應(yīng)力方向相反；利用磁各向異性探頭可以定性檢測(cè)出管壁應(yīng)力集中區(qū)域的位置。

4 結(jié)論

本文利用磁各向異性檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管壁應(yīng)力集中區(qū)域的檢測(cè)，得出結(jié)論如下：在應(yīng)力的作用下，管壁會(huì)形成易磁化方向和難磁化方向，產(chǎn)生磁各向異性；磁各向異性檢測(cè)方法可以檢測(cè)出管壁主應(yīng)力方向所在延長(zhǎng)線(xiàn)的角度和管壁當(dāng)量應(yīng)力的變化趨勢(shì)，判斷管壁是否發(fā)生屈服失效以及是否產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。

（責(zé)任編輯：景勇 英文審校：尹淑英）