基于磁各向异性的管壁应力集中区域检测方法

杨理践　吕志鹏　高松巍　郑福印　刘斌

摘要：针对应力集中导致管壁发生屈服失效的问题，提出了利用磁各向异性检测管壁应力集中区域的方法。从能量角度出发，研究了应力导致管壁产生磁各向异性的机理，建立了管壁当量应力与磁各向异性探头输出电压信号的数学模型，通过计算管壁的当量应力判断其是否发生屈服失效，搭建了应力检测实验平台。实验结果表明，应力会导致管壁产生磁各向异性，磁各向异性检测方法能够检测出管壁当量应力的变化趋势和主应力方向所在延长线的角度，进而判断管壁是否产生应力集中区域。

关键词：磁各向异性；管壁；屈服失效；第三强度理论；能量最低原理；能量守恒定律；磁化率；应力集中区域

中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：1000-1646（2024）01-0097-06

为了保障管道的安全运行，需要定期对其进行检查与维护。管道在服役过程中，会受到内压、土壤和温度等载荷的共同作用，局部应力异常会导致管壁产生应力集中，发生屈服失效，出现疲劳裂纹以及应力腐蚀裂纹。目前检测应力主要包括磁记忆、巴克豪森效应和磁各向异性等磁学方法。

应力会导致铁磁性材料在不同方向上的磁学特性呈各向异性，利用这种特性可实现对材料的应力检测。OGNEVA等利用磁各向异性设计了由9个霍尔传感器组成的圆形阵列式探头，实现了对大型低碳钢结构中残余应力的测量；张富臣等设计了磁各向异性检测平台，测量了Q195钢板不同应力条件下不同角度的磁滞回线，认为应力磁各向异性与剪应力有关；李立新等设计了同材料的三足、四足和六足结构的磁各向异性探头，对静拉伸状态下16MnR钢件进行了探头对比实验，结果表明，六足结构探头灵敏度最高。

本文提出利用磁各向异性方法对管壁应力集中区域进行检测的方法。根据最大剪应力理论判断管壁是否发生屈服失效，基于能量最低原理解释了应力导致管壁产生磁各向异性的原因，基于能量守恒定律建立了磁化率与应力的数学关系，基于等效磁路法建立了管壁当量应力与磁各向异性探头输出电压信号的数学模型。

1 管壁应力集中区域与磁各向异性

3.1 应力致磁各向异性实验

采用Q235钢条进行单轴拉伸实验，其体积为：600mm×60mm×16mm。将钢条两端夹持于万能材料试验机钳口处，在弹性范围内对其进行静态拉伸，应力变化范围为0-220MPa。探头固定于钢条中心位置，与钢条中轴线的夹角分别为0°，30°，60°，90°，应力每变化10MPa，探头采集一次数据，不同角度下的实验曲线如图7所示。

由图7可知，当探头方向不变时，探头输出信号随着应力的增大而增大，且探头输出信号的变化越来越缓慢。即应力会使材料内部的磁化方向发生旋转，从而改变探头输出电压，且随着应力的增大，磁化方向趋于稳定，逐渐形成稳定的易磁化方向和难磁化方向。

3.2 钢板主应力方向检测实验

实验试件为未知应力状况的钢板，长度为200mm，宽度为200mm，厚度为8mm，在应力待测位置粘贴45。直角应变花。

实验先利用探头对待测位置应力角度进行检测，再利用小孔法对其进行检测，以小孔法检测数据为真实值，探头检测数据为检测值，检测结果对比情况如表1所示。

由表1可知，探头对主应力方向所在延长线的角度检测误差在16°以内。误差产生的原因：探头摆放位置存在误差；数据读取存在视觉误差；应力使磁化强度方向旋转，不能完全平行于应力方向。

3.3 模拟管道当量应力数值检测实验

实验试件采用直径为273mm，壁厚为7.5mm，长度为4700mm的Q235鋼管。两端进行封闭处理，随后向管道内部压人氮气，内压在1-6MPa连续变化，模拟实际运行时油气管道受力状态。

实验过程中，将应变花贴在模拟管道上方轴向中心位置，应变花0°方向沿着管道轴向方向，90°方向沿着管道环向方向，利用应变仪采集90°方向的应力值减去0°方向的应力值得到其当量应力，绘制出应变仪检测曲线。

探头的摆放位置距离应变花50mm处，且处于同一轴线。将探头检测的电压信号转换为当量应力后，对其进行放大得到探头检测曲线，探头检测与应变仪检测的曲线对比如图8所示。

由图8可知，磁各向异性检测曲线与应变仪检测曲线基本一致，证明可以利用磁各向异性方法对管壁当量应力进行定性检测。

3.4 模拟管道应力集中区域检测实验

实验试件采用直径为273mm，壁厚为7.5mm，长度为1000mm的Q235钢管。利用乙炔焊对管壁中心位置进行灼烧，灼烧半径为50mm的圆形区域，随后用冷水冷却，使管壁产生应力集中区域。

沿管道轴向方向绘制5条直线作为检测路径，分别命名为路径1、路径2、…、路径5，其中路径3穿过圆形区域中轴线，每条路径之间的距离均为45mm，长度均为300mm，实验示意图如图9所示。

实验过程中，探头分别沿着检测路径1-5向前运动并进行数据采集，结果如图10所示。

由图10可知，检测信号受应力的影响明显，在应力集中区域，信号出现明显波动；在域环方向，区域外部与区域内部的应力方向相反；利用磁各向异性探头可以定性检测出管壁应力集中区域的位置。

4 结论

本文利用磁各向异性检测技术实现了对管壁应力集中区域的检测，得出结论如下：在应力的作用下，管壁会形成易磁化方向和难磁化方向，产生磁各向异性；磁各向异性检测方法可以检测出管壁主应力方向所在延长线的角度和管壁当量应力的变化趋势，判断管壁是否发生屈服失效以及是否产生应力集中区域。

（责任编辑：景勇 英文审校：尹淑英）