承压管道磁记忆检测缺陷信号量化数值研究

郭 凯，梁 鸿，常金鹏，潘文杰，牟彦春，曹丽琴，张红升

(1.燕山大学 环境与化学工程学院,河北秦皇岛 066004；2.浙江省特种设备科学研究院,杭州 310020)

0 引言

承压管道在长期服役过程中，受到各种环境载荷、工作载荷等外载荷作用时很容易产生应力集中、腐蚀泄漏和裂纹缺陷，因此需要对它进行定期在线监测和检测。目前在承压管道的检测方法中，普遍采用的是无损检测技术[1-3]。但常规无损检测只能对金属已经形成的裂纹、凹坑等肉眼可见的缺陷进行检测，在检测微观缺陷和埋藏缺陷等方面存在着局限性[4-6]。

金属磁记忆检测技术在20世纪90年代后期由俄罗斯的杜波夫教授提出，是迄今为止对金属部件进行早期诊断唯一行之有效的无损检测方法[7-9]。金属磁记忆检测技术与其他无损检测技术相比，其具有能对微观缺陷、埋藏缺陷进行识别检测的优点。承压管道在焊接过程中会产生一些埋藏型焊接缺陷，设备运行中，承压管道由于内部压力的存在，会在缺陷附近形成应力集中,磁记忆检测法可对应力集中进行检测，以得到缺陷的信息，但目前对内部压力下承压管道埋藏缺陷的磁记忆信号研究较少[10]。

本文采用有限元模拟的方法，对含埋藏缺陷的承压管道进行磁记忆信号模拟试验，分析磁记忆信号在不同缺陷参数、不同应力状态下的变化规律，为磁记忆检测法在承压管道的工程实际应用提供理论依据。

1 磁记忆模拟计算理论

铁磁体在无外加磁场的状态下，由于邻近原子的交换作用，使各原子磁矩在一定空间范围内呈现有序排列而达到磁化的现象，称为自发磁化现象。磁化方向相同的小区域成为磁畴。当铁磁体受到应力作用时，在缺陷附近的区域产生应力集中，使得区域内磁畴的磁畴壁发生位移，造成磁畴的不可逆转动，磁导率变化，形成了漏磁场，体现为磁场强度法向分量值Hp(y)改变符号且过零点、切向分量值Hp(x)有极大值[11]。

俄罗斯某公司提出了地磁场环境下的力磁耦合模型[12]，表达式如下：

μ=μT(1+bH/μT)(a0+a1∣σ∣men∣σ∣)

(1)

式中,μ为磁导率,H/m；μT为初始磁导率,H/m；b为金属材料属性值，为常数；H为外磁场大小,A/m;σ为外加载荷大小,Pa;a0，a1，m，n为与构件所承受的外加载荷大小、方向有关的常数。

2 计算模型与设置

采用Ansys有限元分析的方法进行研究，有限元模拟选取材料为Q235A的焊接钢管，其材料参数如表1所示。含裂纹的管道模型如图1(a)所示,含气孔的管道模型如图1(b)所示。

图1 有限元仿真计算模型

裂纹开口角度为30°，裂纹深度为t(见表1);气孔形状为圆形，直径1 mm，埋藏深度为d(见表1)，内部磁场参数按照空气的相对磁导率设置。在管道外壁上方1 mm处定义一条检测路径,缺陷中心对应检测路径的中点位置。采用永磁体和衔铁组合的方法建立了地磁场模型，如图1(c)所示。永磁体的相对磁导率为1，矫顽力为60 A/m;衔铁的相对磁导率为186 000[13-14];空气层的相对磁导率为1，其分布和强度如图1(d)(e)所示。永磁体的尺寸为360 mm×400 mm，间距为225 mm。

式(1)中参数参考俄罗斯某公司数据，当应力s<50 MPa 时：a0=0.768 04，a1=0.009 16，m=1.904 12，n=-0.033 53；s>50 MPa时：a0=-0.004 47，a1=0.041 08，m=1.554 99，n=-0.031 48[12]。根据我国输油输气管道最高压力不超过10 MPa的要求，本文选取内压载荷为2,4,6,8,10 MPa。利用Ansys间接耦合的方法实现数值计算，具体如图2所示。

图2 力磁耦合分析步骤

3 结果分析

3.1 裂纹缺陷磁场特征规律

保持裂纹开口角度不变，建立裂纹深度为1,2,3,4 mm的4个承压管道模型，研究内压载荷6 MPa作用下的管道裂纹深度不同对磁记忆信号的影响，检测路径上的磁记忆信号如图3所示。可以看出，当裂纹深度为1 mm时，检测路径上的法向、切向磁场分量无明显变化；裂纹深度为2 mm时，检测路径中点处法向磁场曲线过零点、切向磁场曲线有极大值，但磁记忆信号曲线波动幅度较小，这是因为裂尖应力集中区域离管道外壁较远，漏磁场产生的磁力线大多被约束在管道内部；随着裂纹深度由2 mm向3,4 mm扩展，磁记忆信号曲线波动幅度越来越大。由法向磁场梯度曲线可知，裂纹深度为1 mm时，法向磁场梯度曲线并无明显峰值；当裂纹深度大于1 mm时，曲线在裂尖位置处出现了极大值，且随着裂纹的径向扩展，法向磁场梯度的极值随之增大。将裂纹深度与磁场梯度拟合曲线，曲线满足的关系如式(2)所示，可以看出K值和裂纹深度t之间为指数函数。

K=0.00617×e(t/0.94165)-0.0101

(2)

由图3可以看出,裂纹深度为1,2 mm时磁记忆信号有非常明显的区别。以1 mm和2 mm裂纹模型为研究对象，在不同载荷下进行力磁耦合模拟，得到漏磁场信号如图4,5所示，法向磁场梯度与载荷的拟合曲线如图6所示。

(a)切向磁场分量

图4 不同载荷下，深度1 mm裂纹缺陷管道的漏磁场分布曲线

(a)切向磁场分量

图6 法向磁场梯度拟合曲线

可以看出，当裂纹深度为1 mm时，裂尖附近磁场强度切向分量呈现W状曲线，法向分量虽过零点，但法向分量梯度值出现两个极值点;当裂纹深度为2 mm时，裂尖附近磁记忆信号法向分量改变符号且过零点，切向分量和法向分量梯度出现极大值。随着内压载荷的增加，两个模型的法向磁场梯度极大值均增大。拟合曲线结果如式(3)(4)所示，可以看出K值与载荷σ之间也是指数关系,而且指数下的分母与裂纹深度相关。

当裂纹深度为1 mm时：

K=-0.03201×e(-σ/11.40828)+0.03268

(3)

当裂纹深度为2 mm时：

K=-0.06213×e(-σ/6.93694)+0.06427

(4)

3.2 气孔缺陷磁场特征规律

以含有不同气孔埋深的管道模型为研究对象，在内压载荷6 MPa作用下对管壁内部气孔不同埋深的磁记忆信号进行分析，检测路径上的磁记忆信号如图7所示。可以看出，在相同内压载荷作用下，随着气孔埋深的减小，在缺陷附近的切向磁场强度和法向磁场强度曲线变化幅度随之增大。提取不同载荷下的法向磁场梯度最大值，得到图8,9。可以看出，气孔埋深从3.5 mm减小至1.5 mm时，法向磁场梯度缓慢增加，且随着深度的减小，曲线变化的幅度随之增大；当气孔埋深从1.5 mm减小至0.5 mm时，法向磁场梯度值出现跳跃式增加。

图7 载荷为6 MPa时不同气孔埋深的磁记忆信号分布曲线

图8 法向磁场梯度与载荷对应关系曲线

进一步研究埋藏深度为1.5 mm和3.5 mm的模型，在不同内压载荷下得到磁记忆信号的变化规律，将管道内压作为变量，得到不同载荷下的磁记忆信号分布曲线如图10,11所示。

图9 法向磁场梯度与气孔埋深对应关系曲线

图10 气孔埋深3.5 mm时不同载荷下磁记忆信号分布曲线

图11 气孔埋深1.5 mm时不同载荷下磁记忆信号分布曲线

从图10，11可以看出，不同埋深缺陷的管道磁记忆信号皆出现了在缺陷处磁场强度法向分量过零点、切向分量有极大值的规律,切向分量和法向分量的变化幅度随着载荷的增大而增大。当气孔埋深为3.5 mm时，法向磁场梯度曲线在缺陷处虽存在极大值，但是相较于其他区域，波动幅度较小。这是由于缺陷产生的应力集中区域离管道外壁较远，漏磁场穿出管道的部分较少。载荷的增加使得缺陷附近的应力集中区域产生的漏磁场越强，法向磁场梯度变化幅度逐渐增大，同时梯度极大值也随之增大。当气孔埋深为1.5 mm时，法向梯度分布曲线在非缺陷区域波动平缓，在缺陷附近区域形成了“陡峰”。对K和埋藏深度的关系进行拟合曲线，曲线满足的关系如式(5)所示，可以看出K值与埋藏深度t之间也是指数关系。

当载荷为6 MPa时:

K=0.06928×e(-t/0.74227)+0.01382

(5)

因此，气孔缺陷和裂纹缺陷的埋藏深度、载荷与漏磁场梯度，都可以表示成类似的指数关系，通过磁记忆信号的变化情况可以区分出缺陷种类，并可利用拟合相关关系量化分析缺陷大小。

3.3 试验验证与分析

为了验证数值计算结论，同时将结论有效应用于实际检测中，本文进行试样拉伸磁记忆检测试验，考虑到气孔缺陷难于控制尺寸，又因为平板单向拉伸与承压管道受内压的应力状态相近，故采用平板预制裂纹缺陷进行试验。选择含对接焊缝的平板试件，尺寸为100 mm×20 mm×6 mm，在焊缝处使用线切割机切出宽度1 mm、深度2 mm的矩形槽缺陷，本次平板缺陷检测试验力学加载采取万能拉伸试验机加载的方式。在平板试件不含缺陷的一侧垂直于焊缝方向上每隔5 mm选取一条检测路径，共选取3条检测路径，长度均为60 mm，每条路径的中点对应焊缝中点，如图12所示。平板试件在拉伸试验机上加载载荷为5,10,15,20,25 MPa。本文试验使用的检测仪器为EEC-2003+磁记忆检测仪。该仪器具备内/外时钟操作选项，可实现脉冲计数以及步进测距功能。不同路径上法向磁场梯度峰值的变化结果如图13(a)所示，可以看出其增加趋势与试验结果相近，而且增加的幅度与试验结果也相近，可以证明随着载荷的增加，漏磁场变化梯度的极值持续增长，且增长速度下降。将不同检测路径检测到的法向磁场梯度值取平均值后拟合结果如图13(b)所示,其拟合公式如式(6)所示，可以看出指数的分母项与试验结果接近，因此，可以通过分母项的大小量化缺陷大小结果。

图12 试验试样及检测路径示意

(a)不同路径

K=-0.0218×e(-σ/8.38095 )+0.0267

(6)

4 结论

本文以含埋藏缺陷承压管道为研究对象，通过ANSYS有限元模拟的方法，对承压管道缺陷的磁记忆信号进行了提取和分析，并利用磁记忆检测试验进行试验验证，得到以下结论。

(1)裂纹深度为1 mm时，磁记忆信号法向梯度存在双极值点。裂纹深度增加，磁记忆信号变化幅度增大，法向梯度曲线出现单极值点，且极值随之增大。

(2)随着气孔埋深的减小，磁记忆信号变化幅度增大，法向梯度极值增加的速度增大。当气孔埋深减小至0.5 mm时，法向磁场梯度值出现跳跃式增加。

(3)随着载荷的增大，气孔与裂尖附近应力集中程度增大，磁场强度切向、法向分量及法向磁场梯度也随之增大。

(4)通过量化分析，法向梯度极值K与裂纹深度t呈指数函数关系，其中含有t的指数前符号为正，指数函数前系数A>0。K与载荷σ也呈相近的指数函数关系，但是其中含有σ的指数前的符号为负，指数函数前系数A<0，利用通过法向和切向信号协同拟合分析，可以实现对缺陷信号的量化。