承壓管道磁記憶檢測(cè)缺陷信號(hào)量化數(shù)值研究

郭 凱，梁 鴻，常金鵬，潘文杰，牟彥春，曹麗琴，張紅升

(1.燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,河北秦皇島 066004；2.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,杭州 310020)

0 引言

承壓管道在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，受到各種環(huán)境載荷、工作載荷等外載荷作用時(shí)很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、腐蝕泄漏和裂紋缺陷，因此需要對(duì)它進(jìn)行定期在線監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。目前在承壓管道的檢測(cè)方法中，普遍采用的是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[1-3]。但常規(guī)無(wú)損檢測(cè)只能對(duì)金屬已經(jīng)形成的裂紋、凹坑等肉眼可見的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)微觀缺陷和埋藏缺陷等方面存在著局限性[4-6]。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)在20世紀(jì)90年代后期由俄羅斯的杜波夫教授提出，是迄今為止對(duì)金屬部件進(jìn)行早期診斷唯一行之有效的無(wú)損檢測(cè)方法[7-9]。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，其具有能對(duì)微觀缺陷、埋藏缺陷進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。承壓管道在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些埋藏型焊接缺陷，設(shè)備運(yùn)行中，承壓管道由于內(nèi)部壓力的存在，會(huì)在缺陷附近形成應(yīng)力集中,磁記憶檢測(cè)法可對(duì)應(yīng)力集中進(jìn)行檢測(cè)，以得到缺陷的信息，但目前對(duì)內(nèi)部壓力下承壓管道埋藏缺陷的磁記憶信號(hào)研究較少[10]。

本文采用有限元模擬的方法，對(duì)含埋藏缺陷的承壓管道進(jìn)行磁記憶信號(hào)模擬試驗(yàn)，分析磁記憶信號(hào)在不同缺陷參數(shù)、不同應(yīng)力狀態(tài)下的變化規(guī)律，為磁記憶檢測(cè)法在承壓管道的工程實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 磁記憶模擬計(jì)算理論

鐵磁體在無(wú)外加磁場(chǎng)的狀態(tài)下，由于鄰近原子的交換作用，使各原子磁矩在一定空間范圍內(nèi)呈現(xiàn)有序排列而達(dá)到磁化的現(xiàn)象，稱為自發(fā)磁化現(xiàn)象。磁化方向相同的小區(qū)域成為磁疇。當(dāng)鐵磁體受到應(yīng)力作用時(shí)，在缺陷附近的區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得區(qū)域內(nèi)磁疇的磁疇壁發(fā)生位移，造成磁疇的不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)，磁導(dǎo)率變化，形成了漏磁場(chǎng)，體現(xiàn)為磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量值Hp(y)改變符號(hào)且過(guò)零點(diǎn)、切向分量值Hp(x)有極大值[11]。

俄羅斯某公司提出了地磁場(chǎng)環(huán)境下的力磁耦合模型[12]，表達(dá)式如下：

μ=μT(1+bH/μT)(a0+a1∣σ∣men∣σ∣)

(1)

式中,μ為磁導(dǎo)率,H/m；μT為初始磁導(dǎo)率,H/m；b為金屬材料屬性值，為常數(shù)；H為外磁場(chǎng)大小,A/m;σ為外加載荷大小,Pa;a0，a1，m，n為與構(gòu)件所承受的外加載荷大小、方向有關(guān)的常數(shù)。

2 計(jì)算模型與設(shè)置

采用Ansys有限元分析的方法進(jìn)行研究，有限元模擬選取材料為Q235A的焊接鋼管，其材料參數(shù)如表1所示。含裂紋的管道模型如圖1(a)所示,含氣孔的管道模型如圖1(b)所示。

圖1 有限元仿真計(jì)算模型

裂紋開口角度為30°，裂紋深度為t(見表1);氣孔形狀為圓形，直徑1 mm，埋藏深度為d(見表1)，內(nèi)部磁場(chǎng)參數(shù)按照空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)置。在管道外壁上方1 mm處定義一條檢測(cè)路徑,缺陷中心對(duì)應(yīng)檢測(cè)路徑的中點(diǎn)位置。采用永磁體和銜鐵組合的方法建立了地磁場(chǎng)模型，如圖1(c)所示。永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，矯頑力為60 A/m;銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為186 000[13-14];空氣層的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，其分布和強(qiáng)度如圖1(d)(e)所示。永磁體的尺寸為360 mm×400 mm，間距為225 mm。

式(1)中參數(shù)參考俄羅斯某公司數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)力s<50 MPa 時(shí)：a0=0.768 04，a1=0.009 16，m=1.904 12，n=-0.033 53；s>50 MPa時(shí)：a0=-0.004 47，a1=0.041 08，m=1.554 99，n=-0.031 48[12]。根據(jù)我國(guó)輸油輸氣管道最高壓力不超過(guò)10 MPa的要求，本文選取內(nèi)壓載荷為2,4,6,8,10 MPa。利用Ansys間接耦合的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算，具體如圖2所示。

圖2 力磁耦合分析步驟

3 結(jié)果分析

3.1 裂紋缺陷磁場(chǎng)特征規(guī)律

保持裂紋開口角度不變，建立裂紋深度為1,2,3,4 mm的4個(gè)承壓管道模型，研究?jī)?nèi)壓載荷6 MPa作用下的管道裂紋深度不同對(duì)磁記憶信號(hào)的影響，檢測(cè)路徑上的磁記憶信號(hào)如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)裂紋深度為1 mm時(shí)，檢測(cè)路徑上的法向、切向磁場(chǎng)分量無(wú)明顯變化；裂紋深度為2 mm時(shí)，檢測(cè)路徑中點(diǎn)處法向磁場(chǎng)曲線過(guò)零點(diǎn)、切向磁場(chǎng)曲線有極大值，但磁記憶信號(hào)曲線波動(dòng)幅度較小，這是因?yàn)榱鸭鈶?yīng)力集中區(qū)域離管道外壁較遠(yuǎn)，漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線大多被約束在管道內(nèi)部；隨著裂紋深度由2 mm向3,4 mm擴(kuò)展，磁記憶信號(hào)曲線波動(dòng)幅度越來(lái)越大。由法向磁場(chǎng)梯度曲線可知，裂紋深度為1 mm時(shí)，法向磁場(chǎng)梯度曲線并無(wú)明顯峰值；當(dāng)裂紋深度大于1 mm時(shí)，曲線在裂尖位置處出現(xiàn)了極大值，且隨著裂紋的徑向擴(kuò)展，法向磁場(chǎng)梯度的極值隨之增大。將裂紋深度與磁場(chǎng)梯度擬合曲線，曲線滿足的關(guān)系如式(2)所示，可以看出K值和裂紋深度t之間為指數(shù)函數(shù)。

K=0.00617×e(t/0.94165)-0.0101

(2)

由圖3可以看出,裂紋深度為1,2 mm時(shí)磁記憶信號(hào)有非常明顯的區(qū)別。以1 mm和2 mm裂紋模型為研究對(duì)象，在不同載荷下進(jìn)行力磁耦合模擬，得到漏磁場(chǎng)信號(hào)如圖4,5所示，法向磁場(chǎng)梯度與載荷的擬合曲線如圖6所示。

(a)切向磁場(chǎng)分量

圖4 不同載荷下，深度1 mm裂紋缺陷管道的漏磁場(chǎng)分布曲線

(a)切向磁場(chǎng)分量

圖6 法向磁場(chǎng)梯度擬合曲線

可以看出，當(dāng)裂紋深度為1 mm時(shí)，裂尖附近磁場(chǎng)強(qiáng)度切向分量呈現(xiàn)W狀曲線，法向分量雖過(guò)零點(diǎn)，但法向分量梯度值出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn);當(dāng)裂紋深度為2 mm時(shí)，裂尖附近磁記憶信號(hào)法向分量改變符號(hào)且過(guò)零點(diǎn)，切向分量和法向分量梯度出現(xiàn)極大值。隨著內(nèi)壓載荷的增加，兩個(gè)模型的法向磁場(chǎng)梯度極大值均增大。擬合曲線結(jié)果如式(3)(4)所示，可以看出K值與載荷σ之間也是指數(shù)關(guān)系,而且指數(shù)下的分母與裂紋深度相關(guān)。

當(dāng)裂紋深度為1 mm時(shí)：

K=-0.03201×e(-σ/11.40828)+0.03268

(3)

當(dāng)裂紋深度為2 mm時(shí)：

K=-0.06213×e(-σ/6.93694)+0.06427

(4)

3.2 氣孔缺陷磁場(chǎng)特征規(guī)律

以含有不同氣孔埋深的管道模型為研究對(duì)象，在內(nèi)壓載荷6 MPa作用下對(duì)管壁內(nèi)部氣孔不同埋深的磁記憶信號(hào)進(jìn)行分析，檢測(cè)路徑上的磁記憶信號(hào)如圖7所示。可以看出，在相同內(nèi)壓載荷作用下，隨著氣孔埋深的減小，在缺陷附近的切向磁場(chǎng)強(qiáng)度和法向磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線變化幅度隨之增大。提取不同載荷下的法向磁場(chǎng)梯度最大值，得到圖8,9?？梢钥闯?，氣孔埋深從3.5 mm減小至1.5 mm時(shí)，法向磁場(chǎng)梯度緩慢增加，且隨著深度的減小，曲線變化的幅度隨之增大；當(dāng)氣孔埋深從1.5 mm減小至0.5 mm時(shí)，法向磁場(chǎng)梯度值出現(xiàn)跳躍式增加。

圖7 載荷為6 MPa時(shí)不同氣孔埋深的磁記憶信號(hào)分布曲線

圖8 法向磁場(chǎng)梯度與載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

進(jìn)一步研究埋藏深度為1.5 mm和3.5 mm的模型，在不同內(nèi)壓載荷下得到磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，將管道內(nèi)壓作為變量，得到不同載荷下的磁記憶信號(hào)分布曲線如圖10,11所示。

圖9 法向磁場(chǎng)梯度與氣孔埋深對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

圖10 氣孔埋深3.5 mm時(shí)不同載荷下磁記憶信號(hào)分布曲線

圖11 氣孔埋深1.5 mm時(shí)不同載荷下磁記憶信號(hào)分布曲線

從圖10，11可以看出，不同埋深缺陷的管道磁記憶信號(hào)皆出現(xiàn)了在缺陷處磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量過(guò)零點(diǎn)、切向分量有極大值的規(guī)律,切向分量和法向分量的變化幅度隨著載荷的增大而增大。當(dāng)氣孔埋深為3.5 mm時(shí)，法向磁場(chǎng)梯度曲線在缺陷處雖存在極大值，但是相較于其他區(qū)域，波動(dòng)幅度較小。這是由于缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)域離管道外壁較遠(yuǎn)，漏磁場(chǎng)穿出管道的部分較少。載荷的增加使得缺陷附近的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)越強(qiáng)，法向磁場(chǎng)梯度變化幅度逐漸增大，同時(shí)梯度極大值也隨之增大。當(dāng)氣孔埋深為1.5 mm時(shí)，法向梯度分布曲線在非缺陷區(qū)域波動(dòng)平緩，在缺陷附近區(qū)域形成了“陡峰”。對(duì)K和埋藏深度的關(guān)系進(jìn)行擬合曲線，曲線滿足的關(guān)系如式(5)所示，可以看出K值與埋藏深度t之間也是指數(shù)關(guān)系。

當(dāng)載荷為6 MPa時(shí):

K=0.06928×e(-t/0.74227)+0.01382

(5)

因此，氣孔缺陷和裂紋缺陷的埋藏深度、載荷與漏磁場(chǎng)梯度，都可以表示成類似的指數(shù)關(guān)系，通過(guò)磁記憶信號(hào)的變化情況可以區(qū)分出缺陷種類，并可利用擬合相關(guān)關(guān)系量化分析缺陷大小。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)論，同時(shí)將結(jié)論有效應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，本文進(jìn)行試樣拉伸磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)，考慮到氣孔缺陷難于控制尺寸，又因?yàn)槠桨鍐蜗蚶炫c承壓管道受內(nèi)壓的應(yīng)力狀態(tài)相近，故采用平板預(yù)制裂紋缺陷進(jìn)行試驗(yàn)。選擇含對(duì)接焊縫的平板試件，尺寸為100 mm×20 mm×6 mm，在焊縫處使用線切割機(jī)切出寬度1 mm、深度2 mm的矩形槽缺陷，本次平板缺陷檢測(cè)試驗(yàn)力學(xué)加載采取萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)加載的方式。在平板試件不含缺陷的一側(cè)垂直于焊縫方向上每隔5 mm選取一條檢測(cè)路徑，共選取3條檢測(cè)路徑，長(zhǎng)度均為60 mm，每條路徑的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)焊縫中點(diǎn)，如圖12所示。平板試件在拉伸試驗(yàn)機(jī)上加載載荷為5,10,15,20,25 MPa。本文試驗(yàn)使用的檢測(cè)儀器為EEC-2003+磁記憶檢測(cè)儀。該儀器具備內(nèi)/外時(shí)鐘操作選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)以及步進(jìn)測(cè)距功能。不同路徑上法向磁場(chǎng)梯度峰值的變化結(jié)果如圖13(a)所示，可以看出其增加趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相近，而且增加的幅度與試驗(yàn)結(jié)果也相近，可以證明隨著載荷的增加，漏磁場(chǎng)變化梯度的極值持續(xù)增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度下降。將不同檢測(cè)路徑檢測(cè)到的法向磁場(chǎng)梯度值取平均值后擬合結(jié)果如圖13(b)所示,其擬合公式如式(6)所示，可以看出指數(shù)的分母項(xiàng)與試驗(yàn)結(jié)果接近，因此，可以通過(guò)分母項(xiàng)的大小量化缺陷大小結(jié)果。

圖12 試驗(yàn)試樣及檢測(cè)路徑示意

(a)不同路徑

K=-0.0218×e(-σ/8.38095 )+0.0267

(6)

4 結(jié)論

本文以含埋藏缺陷承壓管道為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS有限元模擬的方法，對(duì)承壓管道缺陷的磁記憶信號(hào)進(jìn)行了提取和分析，并利用磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1)裂紋深度為1 mm時(shí)，磁記憶信號(hào)法向梯度存在雙極值點(diǎn)。裂紋深度增加，磁記憶信號(hào)變化幅度增大，法向梯度曲線出現(xiàn)單極值點(diǎn)，且極值隨之增大。

(2)隨著氣孔埋深的減小，磁記憶信號(hào)變化幅度增大，法向梯度極值增加的速度增大。當(dāng)氣孔埋深減小至0.5 mm時(shí)，法向磁場(chǎng)梯度值出現(xiàn)跳躍式增加。

(3)隨著載荷的增大，氣孔與裂尖附近應(yīng)力集中程度增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度切向、法向分量及法向磁場(chǎng)梯度也隨之增大。

(4)通過(guò)量化分析，法向梯度極值K與裂紋深度t呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其中含有t的指數(shù)前符號(hào)為正，指數(shù)函數(shù)前系數(shù)A>0。K與載荷σ也呈相近的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，但是其中含有σ的指數(shù)前的符號(hào)為負(fù)，指數(shù)函數(shù)前系數(shù)A<0，利用通過(guò)法向和切向信號(hào)協(xié)同擬合分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷信號(hào)的量化。