再制造抽油桿疲勞壽命評估的磁記憶檢測實驗研究

冷建成，張　輝，周國強，吳澤民

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

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再制造抽油桿疲勞壽命評估的磁記憶檢測實驗研究

冷建成，張輝，周國強，吳澤民

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

廢舊零部件壽命評估一直是再制造工程的技術難點之一。通過對預制溝槽抽油桿試件的拉-拉疲勞實驗，利用磁記憶檢測儀在線測量試件表面在不同循環次數下的磁記憶信號，研究抽油桿疲勞損傷演化的切向幅值和法向峰峰值變化規律。通過引入李薩如圖，表明隨著循環的進行所圍成的面積由變大到最大后又逐步減小，而非閉合圖形面積達到最大時正好對應著宏觀裂紋即將發生失穩擴展的臨界狀態。在此基礎上，提出切向法向合成磁場梯度最大值作為預測疲勞壽命的指標，結果表明該特征參數與疲勞循環發展的不同階段相對應，基于高斯函數擬合建立了其與歸一化壽命之間的定量關系模型，可用于抽油桿的疲勞壽命預測。

磁記憶檢測；特征參數；疲勞壽命；抽油桿

每年，我國各油田都有大量的抽油桿需要報廢或更換，而更換下來的舊抽油桿大部分經過修復后仍可再利用。再制造工程的提出[1,2]，為廢舊抽油桿“變廢為寶”提供了用武之地。

再制造工程的第一個環節是判斷廢舊零部件是否具有可再制造性，即借助于各種檢測技術和方法對再制造毛坯進行損傷程度評估和剩余壽命預測；然而，由于退役抽油桿損傷失效形式的復雜性和不確定性，采用無損檢測技術進行壽命評估比新產品更為困難。姜懷芳等[3]針對舊抽油桿設計了一套基于漏磁檢測原理的無損檢測系統，提出了抽油桿桿體表面缺陷的檢測、分類以及軸向定位的方法。何存富等[4]利用空心抽油桿管道中的導波頻散曲線和自行設計的環狀傳感器實現了抽油桿表面缺陷的有效檢測。譚英杰等[5]研制了抽油桿電渦流自動檢測臺，實現了抽油桿的全自動連續缺陷檢測，提高了抽油桿缺陷檢測精度。

上述研究方法對已經存在的宏觀缺陷效果明顯，但對于應力集中和微小損傷的檢測卻無能為力，這就使得評估再制造毛坯的剩余壽命存在諸多困難。金屬磁記憶檢測是近年來迅速發展起來的一門新技術，通過對表面磁場的檢測，就可對構件的應力狀態和應力集中區域作出判斷，從而達到診斷的目的[6]。徐濱士院士課題組探討了磁記憶技術用于再制造毛坯壽命評估的初步應用，并深入研究了利用該技術來預測疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴展壽命的方法與途徑[7,8]。徐成通過磁記憶檢測對退役抽油桿在疲勞載荷狀態下的應力集中、微觀缺陷和宏觀缺陷等進行了分類，實現了再制造抽油桿的毛坯篩選及成品質量評估[9]。但目前由于法向分量Нy信號存在正負號躍變、過零點、易于捕捉及分析等特點，大多磁記憶檢測只采集Нy信號。事實上，切向分量Нx和法向分量Нy信號是一對孿生變量，在疲勞損傷演變中均會呈現相應的特征信號。為此，本工作將采集法向分量Нy和切向分量Нx兩個方向的信號進行分析，并分別提出表征抽油桿斷前信息和預測疲勞壽命的綜合指標，為再制造毛坯壽命評估提供一種新思路。

1　金屬磁記憶檢測原理

金屬磁記憶檢測主要基于磁機械效應，鐵磁性構件在載荷和地磁場共同作用下，在應力集中區會發生具有磁致伸縮性質的磁疇定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后會保留下來，而且與曾經受到的最大應力有關，這種表面剩磁狀態記憶著金屬內部的應力集中區和微觀缺陷位置[8]。如圖1所示，在應力集中區和微觀缺陷位置，磁場的切向分量Нx出現最值、法向分量Нy具有改變符號且過零點的信號特征。

圖1　金屬磁記憶檢測原理　(a)切向信號；(b)法向信號Fig.1　Testing principle of metal magnetic memory　(a)tangential signal;(b)normal signal

為了便于后文引用，這里引入兩個概念：切向幅值ΔHx和法向峰峰值ΔHy。

其中，切向幅值ΔHx定義為切向最值Hxmax與切向平均值Hxave差的絕對值，如式(1)所示。

(1)

式中：Hxmax為切向最值；Hxave為切向平均值。

法向峰峰值ΔHy定義為法向最大值Hymax與法向最小值Hymin之差，如式(2)所示。

ΔHy=Hymax-Hymin

(2)

式中：Hymax為法向最大值；Hymin為法向最小值。

2　實驗設備及檢測方案

2.1試件準備

實驗選用中間帶有預制車削溝槽的抽油桿試件，直接取自工程應用的20CrMo鋼D級φ19抽油桿，屈服強度σs=685MPa，抗拉強度σb=885MPa。由于受疲勞試驗機空間限制，抽油桿試件僅桿體部分縮短至330mm，其他部分與API規格尺寸完全相同。

實驗選用了7組試件，其形狀和尺寸如圖2所示，其中為了模擬應力集中，在試件正中間車削加工1個寬5mm、深2.5mm的環形圓弧凹槽。實驗前每間隔90°沿桿體畫4條軸向測量路徑以備檢測用，其中測量路徑以預制溝槽為中心設為120mm。

圖2　抽油桿試件Fig.2　The specimen of sucker rod

由于試件經加工后表面剩余磁場分布不均，為了消除初始剩余磁場的干擾，利用TC-2退磁器進行退磁處理[10]，退磁前后的磁信號如圖3所示，可見退磁后磁信號除溝槽處其他部分均在地磁場值附近，而溝槽應力集中處漏磁場畸變信號明顯。

圖3　退磁前后磁信號　(a)切向信號；(b)法向信號Fig.3　Magnetic signals before and after demagnetization　(a)tangential signal;(b)normal signal

2.2實驗儀器

拉-拉疲勞實驗在QBG-300高頻疲勞試驗機上進行，其主要用于測定金屬及其合金材料在室溫狀態下的拉伸、壓縮或交變負荷的疲勞性能實驗。高頻疲勞試驗機為微機控制，最大靜負荷為±300kN，動負荷為180kN，其工作原理基于電磁諧振，即試件與上、下夾具和試驗機組成一個質量-彈簧系統，當電磁鐵的激勵信號頻率與該系統的固有頻率相同時產生共振，記錄顯示共振頻率約為104Hz。

磁信號檢測采用TSC-2M-8應力集中磁檢測儀，配備新型雙向2M型傳感器，可同時測量磁場的切向分量Нx和法向分量Нy。

2.3實驗方案

檢測在室溫環境下進行，環境磁場主要為地磁場。首先將抽油桿試件裝夾在疲勞試驗機上，施加靜載Fs=30kN，動載Fd=24kN。由于微機控制軟件設置至少循環1000次才能停機，基于疲勞初期和后期階段增加磁信號測量次數、疲勞循環中間階段適當延長循環間隔再停機檢測的原則，每循環至預定周次停機，卸靜載后沿測量路徑進行磁信號檢測，注意檢測探頭勻速移動，并保證提離值固定為2mm；同時借助低倍放大鏡跟蹤觀察并記錄試件是否形成裂紋及開始擴展情況，直至試件斷裂，整個過程都在疲勞試驗機上完成。

3　實驗結果

實驗結果發現7組試件的壽命并不相同，但其磁信號的變化規律具有一致性，現以5#桿為例進行說明。

3.1加載前后的磁信號變化

加載前后磁信號的變化曲線如圖4所示，加載前由于預制溝槽的存在，切向和法向磁信號在缺陷位置出現異常波。

圖4　加載前后磁信號　(a)切向信號；(b)法向信號Fig.4　Magnetic signals before and after loading　(a)tangential signal;(b)normal signal

與加載前相比，試件循環1000次時切向和法向的磁信號已發生顯著變化：切向曲線波峰反向，曲線整體向下平移；法向曲線形貌反向，曲線整體趨于平緩。

3.2循環過程中的磁信號變化

前期階段磁信號的變化曲線如圖5所示，切向和法向磁記憶信號趨于穩定，曲線整體上下跳變，切向和法向異常波幅值均不斷增加，切向幅值從23.7A/m增加到42.7A/m，法向峰峰值從42A/m增加到70A/m。

后期階段磁信號的變化曲線如圖6所示，切向和法向異常波幅值迅速減小，發現此階段正好伴隨著宏觀裂紋的擴展，切向幅值從42.7A/m減小到19.5A/m，法向峰峰值從70A/m減小到55A/m。

圖5　前期階段磁信號　(a)切向信號；(b)法向信號Fig.5　Magnetic signals in the initial stage　(a)tangential signal;(b)normal signal

圖6　后期階段磁信號　(a)切向信號；(b)法向信號Fig.6　Magnetic signals in the last stage　(a)tangential signal;(b)normal signal

3.3斷裂前后的磁信號變化

斷裂前后磁記憶信號的變化曲線如圖7所示，可以看出，經過223400次循環后，試件在預制缺陷處斷裂。與斷裂前最后一次測量(循環222400次)的磁信號相比，斷裂后切向異常波和法向異常波均反向，異常波波幅顯著增大，切向幅值從19.5A/m突然增加到226A/m，而法向峰峰值從42A/m增加到323A/m。

圖7　斷裂前后磁記憶信號　(a)切向信號；(b)法向信號Fig.7　Magnetic signals before and after fracture　(a)tangential signal;(b)normal signal

4　抽油桿疲勞斷裂前的臨界信息表征

抽油桿產生疲勞破壞，大致要經歷裂紋成核或萌生、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和裂紋失穩擴展等階段。由于裂紋失穩后快速擴展而瞬間斷裂，因此如果能夠捕捉到宏觀裂紋擴展階段將對剩余壽命評估意義重大。

由上述分析可知，磁記憶信號隨著整個疲勞循環過程都有不同的變化，為了綜合考慮切向和法向兩個正交矢量，引入李薩如圖來定性評估疲勞壽命[11,12]，如圖8所示。

圖8　不同疲勞壽命所對應的李薩如圖Fig.8　Lissajous figures corresponding to different fatigue life

從圖8中不難發現，在疲勞循環前期階段，李薩如圖形成封閉區域，所圍成的面積基本不變；當循環至154300次以后，李薩如圖面積開始變大，而且圖形由完全封閉變為不完全封閉，此過程對應著微觀裂紋的擴展。隨著疲勞循環繼續進行，當循環到215300次時，李薩如圖所涵蓋的局部閉合區域面積達到最大，此過程正好對應著宏觀裂紋的擴展；之后李薩如圖逐步減小，試件產生失穩擴展而很快斷裂。

可見，根據切向和法向相互正交磁場矢量合成的李薩如圖可以定性判斷疲勞壽命的不同發展階段，而非閉合圖形面積達到最大時就意味著試件即將破壞，可作為捕捉斷前信息的臨界信號特征。

5　抽油桿疲勞壽命量化評估的磁記憶信號特征提取

為了進一步研究磁記憶信號隨循環次數的變化規律，在前文提到的切向幅值ΔHx和法向峰峰值ΔHy特征參數的基礎上，增加切向法向合成磁場梯度最大值|Kxy|max指標來預測疲勞壽命。

切向法向合成磁場梯度最大值|Kxy|max定義為：

(3)

式中Hxy為切向法向合成磁場強度。

圖9　切向法向合成磁場梯度最大值|Kxy|max隨歸一化壽命的變化Fig.9　Variation of maximum value of synthetic magnetic field gradient with normalized life

由圖9可知，切向法向合成磁場梯度最大值|Kxy|max隨歸一化壽命的變化可以將整個疲勞演變過程劃分為4個階段：第Ⅰ階段，約占壽命Nf的0.5%～1.5%，|Kxy|max出現明顯的波動，總體略有下降；此后進入第Ⅱ階段，約占90%Nf，是疲勞損傷緩慢演變的主要階段，此階段磁信號基本穩定不變。第Ⅲ階段，約占5%～10%Nf，特征參數快速增加，分析其原因為試件此時已從微觀裂紋逐步發展為宏觀裂紋，導致試件內部應力分布明顯不均勻，在預制缺陷處應力顯著集中，磁信號快速增加[13]。第IV階段，約占1%～3%Nf，特征參數迅速減小，其原因是裂紋斷面形成N, S極而引起與磁化強度相反的退磁場[14,15]，外在表現為宏觀裂紋的失穩擴展，經測量沿抽油桿的外徑周長裂紋長度由約5mm擴展到40mm。最后突然斷裂，|Kxy|max瞬間急劇增大。

可見，切向法向合成梯度最大值與疲勞壽命的不同階段存在著對應關系，為了進一步量化評估|Kxy|max參數，采用高斯函數擬合得到其與疲勞壽命之間的量化關系如式(4)所示。

圖10　|Kxy|max參數與疲勞壽命之間的擬合曲線Fig.10　The fitted curve between parameter |Kxy|max and fatigue life

(4)

式中：各系數分別為a1=1.8×1015,b1=104.9,c1=0.8733,a2=11.79,b2=-10.47,c2=10.6,a3=9.004,b3=95.26,c3=5.207,a4=2.959,b4=19.69,c4=17.62,a5=3.364,b5=58.27,c5=21.75。

相應的擬合曲線如圖10所示，可用于預測抽油桿的疲勞壽命。

6結論

(1)加載前后，切向和法向信號形貌均反向，切向信號整體向下平移；前期階段切向和法向信號趨于穩定，后期階段切向和法向異常波幅值迅速減小，發現恰好伴隨著宏觀裂紋的擴展；斷裂前后，切向和法向異常波均反向，異常波波幅顯著增大。

(2)抽油桿試件在疲勞循環過程中，李薩如圖由完全封閉變為不完全封閉，所圍區域面積由開始變大到最大后再逐步減小，可用于定性判斷疲勞壽命的不同發展階段，其中非閉合圖形面積達到最大時預示著試件瀕臨斷裂。

(3)提出了切向法向合成磁場梯度最大值作為抽油桿疲勞壽命量化評估的特征參數，并建立了其與歸一化壽命之間的關系模型，為退役抽油桿的疲勞壽命定量評估提供了一種新思路。

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Experimental Research on Predicting Fatigue Life ofRemanufacturing Sucker Rod by Magnetic Memory Testing

LENG Jian-cheng,ZHANG Hui,ZHOU Guo-qiang,WU Ze-min

(School of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Heilongjiang,China)

Fatigue life evaluation of retired parts is always one of the most difficult problems in remanufacturing engineering. Tension-tension fatigue experiments of precut groove sucker rod specimens were conducted, and on-line magnetic memory signals on the surfaces of specimens under different cyclic numbers were measured by magnetic memory testing instrument, and the variation regularities of the tangential amplitude and normal peak-peak value with different fatigue damage were exploited simultaneously. The Lissajous figure introduced shows that the surrounded area becomes larger, the largest and smaller finally, whilst the maximum closure area corresponds to the critical state of macroscopic crack about to unstable propagation. Furthermore, the maximum value of synthetic magnetic field gradient is proposed as an index to predict fatigue life. The results demonstrate that the characteristic parameter can reflect different development stages of fatigue cycles, and the quantitative relationship between the characteristic parameter and the normalized life is established by virtue of Gauss function, which can be used to predict the fatigue life of sucker rods.

magnetic memory testing;characteristic parameter;fatigue life;sucker rod

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.016

TE951;TG115.28

A

1001-4381(2016)09-0103-06

國家自然科學基金資助項目(11472076,11272084)；黑龍江省應用技術研究與開發計劃資助項目(GA13A402)

2015-11-01；

2016-03-04

冷建成(1977-)，男，教授，從事無損檢測、結構健康監測及損傷診斷等方面研究工作，聯系地址：黑龍江省大慶市高新區發展路199號東北石油大學機械科學與工程學院(163318)，E-mail:lbyljc@163.com