X80管线钢凹坑-划痕缺陷的磁记忆检测研究

西南石油大学机电工程学院

油气管道对保障国民经济运行和推动社会发展起着重要的作用。基于优良的设计和选材，油气管道能保持长周期的安全运行。目前油气管道多敷设于地下，第三方破坏或管道回填都可能对埋地管道造成不同程度的损伤[1]，产生凹坑、腐蚀、沟槽、裂纹以及褶皱等缺陷，对管道的安全可靠运行造成严重威胁[2]。

20 世纪末兴起的金属磁记忆检测技术是一种基于铁磁材料在地磁场和循环应力作用下的力磁耦合效应，通过检测构件表面的磁场分布，来发现早期应力集中和宏观缺陷的一种无损检测方法，可用于构件损伤的早期识别和安全预警[3-4]。倪金禄等[5-6]进行了油管不同损伤程度的检测研究，对刻伤尺寸与磁记忆信号之间的定量关系进行了探索；李云飞等[7-8]研究了X80 管线钢试件在切槽、穿孔等机械损伤情况下，磁记忆信号与集中损伤程度的定性关系；姚凯等[9]分析了不同材质压头在45号钢的接触损伤试验中对磁记忆信号的影响；刘文贞等[10]研究了X80 管线钢疲劳损伤的磁记忆信号变化特征，提出了量化疲劳损伤程度的特征量。目前，利用金属磁记忆检测技术来诊断机械损伤的研究工作还很有限，且大多数集中在对表面金属损失型缺陷的研究，而对接触损伤的研究则很少，针对两种缺陷检测信号的对比分析更是未见报道。

针对上述情况，本文制备了带有挤压损伤凹坑和切割损伤划痕的X80管线钢试样，进行了不同载荷强度的静载拉伸试验研究，得到两种缺陷在不同变形程度下的磁记忆信号变化规律，对比分析了两种缺陷的力磁耦合特性。

1 试验方案

1.1 试验材料

选用X80管线钢为研究对象，其化学成分如表1所示。X80管线钢具备高强度、高韧性和优异的焊接性能，其屈服强度为551 MPa，抗拉强度为635 MPa。根据GB/T 228.1—2010 将其加工成标准板状试件，其中间检测段尺寸为120 mm×20 mm×4 mm。

表1 X80管线钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of X80 pipeline steel

1.2 试验设备及方法

为避免试样在加工过程中造成的应力集中对试验结果产生影响，采用TC-3 台式退磁器对试样进行退磁处理。挤压损伤试验在CMT4304 万能材料试验机上进行，采用半圆柱型压头，在70 kN的载荷作用下，在试样几何中心位置压制出一凹坑缺陷（20 mm×3 mm×0.8 mm）。为了进行对比分析，利用砂轮切割和锉刀打磨的方式，加工缺陷尺寸相同的划痕缺陷。两种缺陷试样的照片如图1所示。静载拉伸试验在MTS-809.25疲劳试验机上完成，采用逐级加载的方式进行施载，达到预定值后，保持载荷10 s 再取下试件；再采用TSC-2M-8 磁记忆检测仪进行试件表面磁场强度扫描，测试提离值保持2 mm不变，测试方向和地磁南北极方向垂直。

图1 缺陷试样照片Fig.1 Photo of defective samples

2 试验结果

对带凹坑和划痕缺陷的试样分别进行了3组重复试验。通过数据分析发现，相同缺陷试样间的力学性能和磁场分量信号具有很高的相似度。因此，各选取一组试样进行对比分析，其检测结果取两条扫描线上磁场分量值的平均值。

2.1 载荷-应变曲线

通过静载拉伸试验，获得了试样的载荷-应变曲线（图2）。在施载过程中，试样经历了弹性变形-屈服-塑性变形的不同阶段。根据载荷-应变曲线，分别选取不同变形阶段的5组载荷，用于研究不同缺陷试样的磁记忆信号变化情况。其中，20 kN和30 kN对应于试样的弹性变形阶段；42 kN对应的应变量为0.07%，说明试样开始屈服；50 kN 和55 kN 对应的应变量分别为1.00%和1.83%，表明试样发生了明显的塑性变形。

图2 载荷-应变曲线Fig.2 Load-strain curve

2.2 载荷对凹坑缺陷的影响

对试样进行逐级加载、卸载检测，获得了带凹坑缺陷试样在不同载荷下的磁场强度分布曲线（图3）。如图3a 所示，0 kN 时磁场强度法向分量H(y)整体上表现为水平直线，但在凹坑处出现了明显的突变。拉伸载荷作用后，法向分量H(y)表现为倾斜的直线。随着载荷增加，其斜率逐渐增大，进入塑性变形阶段后，斜率变化出现反转。但是，拉伸载荷作用后凹坑缺陷处的磁场畸变极不明显，难以辨识。如图3b 所示，0 kN 时磁场强度切向分量H(x)曲线在凹坑缺陷处形成了下凹的单峰。随着拉伸载荷的增加，缺陷处曲线的峰值逐渐降低。从H(y)和H(x)曲线的对比分析发现，凹坑缺陷处切向磁场强度的变化趋势更加明显，说明切向分量对载荷变化的敏感程度更高。

为了更加直观地表现缺陷处磁记忆信号的突变特征，将磁场分量H(y)和H(x)分别对Lx求导，获得了磁场梯度的变化曲线（图4）。各载荷下的磁场梯度在缺陷位置的变化规律非常明显，法向梯度dH(y)/dLx在凹坑处出现极值，随着拉伸载荷的增大，极值逐渐减小；切向梯度dH(x)/dLx在凹坑处出现峰-谷变化，并在几何中心位置过零点，随着拉伸载荷的增大，峰-谷值差减小。其中，切向梯度的变化幅度更大，趋势更加明显。

图3 载荷对凹坑缺陷磁场强度的影响Fig.3 Effect of load on magnetic field strength of pit defect

图4 载荷对凹坑缺陷磁场梯度的影响Fig.4 Effect of load on the magnetic field gradient of pit defect

2.3 载荷对划痕缺陷的影响

采用相同的操作方法，获得了带划痕缺陷试样在不同载荷作用下的磁记忆信号。选取对载荷变化更加敏感的切向磁场分量来进行分析。如图5 所示，在各载荷作用下，H(x)曲线表现为近似水平的直线，且随载荷的增加而逐渐偏离初始状态，该变化规律与凹坑缺陷一致。0 kN 时，在划痕缺陷处并未表现出可分辨的磁信号异常，这与凹坑缺陷处H(x)曲线的峰值现象形成鲜明对比。但是，随着拉伸载荷的增加，H(x)曲线在划痕处出现了单峰，且峰值逐渐增大。从图6可以看出，划痕缺陷处的切向梯度dH(x)/dLx曲线逐渐出现峰-谷变化，过零点特征渐趋明显，说明拉伸载荷在此处引起了逐渐显著的应力集中现象。施载结束后，发现试样在划痕缺陷处出现了明显的翘曲变形。

图5 载荷对划痕缺陷切向磁场分量的影响Fig.5 Effect of load on the tangential magnetic field component of scratch defect

图6 载荷对划痕缺陷切向梯度的影响Fig.6 Effect of load on the tangential gradient of scratch defect

3 分析与讨论

从上述检测结果可以看出，在初始状态下，凹坑和划痕缺陷的磁记忆信号存在明显的差异。由于两种缺陷尺寸相同，所以可以证明缺陷处的磁场畸变与探头提离高度的变化无关。初始状态的凹坑缺陷和高载荷作用下的划痕缺陷均存在强烈的应力集中，使得该处的切向磁场强度低于其他区域，这一现象可以利用塑性应变场和退磁场理论进行解释[11]。

试样经过塑性变形卸载后，材料内部残存的塑性能会产生一定的等效场分量，而这一部分能量可以和钉扎作用相联系[12]。塑性变形产生的等效磁场为

式中：εp为塑性应变量；k为系数，，∈π为畴壁上的钉扎能，与材料属性有关，m为磁畴磁矩。

残余压应力作用下，磁化矢量转向与外加磁场相垂直的方向，从而导致明显的退磁作用。基于这种现象，SCHNEIDER 提出了应力退磁因子[13]，表达式为

式中：λs为饱和磁滞伸缩系数；Ms为饱和磁化强度；Bs为饱和磁感应强度。

初始状态下，由于残余塑性变形的钉扎作用和残余压应力的退磁效应，凹坑缺陷处的切向磁场强度降低，曲线下凹；而划痕缺陷是由表面金属缺失引起的，没有残余应力留存，且深度较小，所以对于磁场强度几乎没有影响。

静载作用下，拉应力将引起磁畴组织重新排列和磁化矢量转向，削弱了凹坑缺陷处的残余压应力影响；同时随着试样伸长量的增加，在一定程度上释放了凹坑处的集中应力，从而使得凹坑缺陷处的磁场强度逐渐恢复。与此相对，划痕缺陷处由于壁厚减薄，其应力水平高于其他区域；同时几何结构的不连续也促使此处更容易产生应力集中现象，且随载荷的增加而加剧。所以在高载荷作用下，划痕缺陷处将产生明显的塑性变形，使材料内部的位错密度迅速积累，阻碍了磁畴的有序化运动；塑性变形卸载后的残余压缩应力也将产生显著的退磁效应，最终导致此处出现典型的磁记忆信号畸变。

为了更加直观地比较凹坑和划痕缺陷的力磁耦合特性，选取-20～20 mm区域内，切向磁场梯度的峰谷值差Sp-p来进行具体分析。如图7所示，随拉伸载荷的增加，凹坑缺陷处的Sp-p值逐渐减小，而划痕缺陷处的Sp-p值则逐渐增大。两种缺陷的Sp-p值随载荷的变化呈相反的近线性关系。Sp-p值的变化直观地反映了缺陷处的应力集中状况，可用于试样塑性损伤程度的表征。

单一平滑的凹坑缺陷在其形成过程中，将产生一定的应变硬化效应[14]，当其深度较小时，几乎不会降低试样的拉伸强度。所以在较高的塑性应力作用下，凹坑缺陷处的Sp-p值较小，应力集中程度较低，未表现出塑性损伤特征。而相同深度的划痕缺陷对试样的拉伸强度有明显的影响，Sp-p值较大，应力集中程度较高，最终导致了明显的塑性变形损伤。

图7 Sp-p与载荷的关系Fig.7 Relationship between Sp-pand load

4 结论

（1）凹坑和划痕缺陷表现出截然不同的磁记忆信号特征，其中切向磁场分量对载荷的敏感程度更高，可有效地反映缺陷处应力集中状态随载荷变化的情况。

（2）凹坑和划痕缺陷处的应力集中导致磁记忆信号突变的现象，可用塑性应变场和退磁场理论来解释。

（3）凹坑和划痕缺陷处，切向磁场梯度的峰谷值差与试样的损伤程度存在近线性关系，但变化趋势相反，该力磁效应特征直观地反映了试样的损伤程度，可为X80管线钢机械损伤的诊断和定量评估提供参考依据。