油氣管道塑性變形的磁記憶檢測

楊理踐,王國慶,劉　斌,高松巍

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

?

油氣管道塑性變形的磁記憶檢測

楊理踐,王國慶,劉斌,高松巍

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

利用金屬磁記憶檢測技術對油氣管道塑性變形進行檢測。通過位錯理論分析了鐵磁材料塑性變形時的能量變化，用鐵磁材料能量平衡理論分析了材料塑性變形過程中磁場信號的變化特征。通過對管道進行打壓試驗，用磁記憶檢測設備對磁信號進行檢測，研究了磁記憶信號與應力的對應關系，得出磁記憶信號隨應力的變化特征。結果表明：鐵磁材料在塑性變形時,其表面弱磁場發生突變，應力-磁感應強度曲線斜率增大;多次塑性變形導致磁場變化率降低。

油氣管道；塑性變形；位錯理論；磁記憶檢測

油氣管道作為五大運輸工具之一，具有高效、低耗等優勢，已成為國民經濟和社會發展不可缺少的“生命線”。但因其具有高能高壓、易燃易爆、有毒有害、連續作業、鏈長面廣、環境復雜等特點，其安全管理也十分重要。無損檢測技術是保證管道安全的一種重要手段[1-2]。金屬材料的破壞一般都要經過應力作用，會產生應力集中→屈服→塑性變形→破壞的過程，而對于材料塑性變形的檢測可以預判危害的發生，因而可以在材料被破壞前對其進行處理，從而避免危害的發生。目前管道發生塑性變形可以分為兩類：一類是在新建油氣管道交工驗收時，由于要進行強度試壓，原有的應力不但沒有釋放反而會增大或產生新的應力集中，進而導致塑性變形；另一類是管道在運行過程中,由于腐蝕、疲勞裂紋等引起的應力集中而導致塑性變形。

通過采用金屬磁記憶檢測技術，在地磁場環境下檢測應力作用后鐵磁材料表面的磁場信號變化特征來判斷金屬的變形狀態。該技術可應用于管道的內外檢測，并可實現在線檢測油氣管道的塑性變形[3-6]。

1　磁記憶檢測技術原理

1.1鐵磁金屬的塑性變形理論

鐵磁金屬在外力作用下將產生彈性變形，當應力超過彈性極限后發生塑性變形。塑性變形的最基本方式是滑移。而滑移不是晶體的一部分相對于另一部分同時作整體的剛性運動，而是通過位錯在應力作用下沿滑移面移動的結果。金屬在塑性變形過程中，位錯數量逐漸增加，進而產生大量滑移帶，即金屬的塑性變形。因而，金屬塑性變形過程中的一個重要特征是位錯的大量增加，位錯產生后其周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態，這個能量為位錯應變能。

1.2磁記憶檢測能量平衡理論

鐵磁材料的基本特點是磁疇結構。磁疇是一切磁特性的基礎，而磁疇的形成則是各種能量共同作用的結果。各種能量須遵循的熱力學準則是：在平衡條件下，磁疇或磁矩的實際存在狀態，必定是總自由能取最小值的狀態。

鐵磁材料在沒有外應力作用時，處于穩定狀態的磁晶體內的自由能E為：

(1)

式中：Ek為磁晶體的各向異性能；Ems為磁彈性能；Eel為彈性能。

磁晶體的各向異性能Ek表示鐵磁體內電子自旋間,以及自旋磁矩和軌道磁矩之間的耦合作用所產生的能量。以立方晶體為例，各向異性能表達式為：

(2)

式中：K1、K2分別為各向異性常數；a1、a2、a3分別為磁化方向與三個晶軸間的夾角余弦。

Ems指鐵磁性與彈性之間的相互作用引發的磁彈性能。同樣以立方晶體為例,表達式為：

(3)

式中：B1、B2分別為磁化和形變相互作用的磁彈性耦合系數；αi、αj分別為磁化方向和各晶軸間的夾角余弦；eii、eij分別為形變分量(i，j=x，y，z)。

彈性能Eel是把晶體看成無磁性時，晶體的彈性形變將使得晶體內的原子位置發生變化，由彈性力學可得到彈性能為：

(4)

式中：exx、eyy、ezz、exy、eyz、ezx分別為形變能量的6個分量;C11、C44、C12分別為彈性模量。

當鐵磁晶體受到外力作用或其內部存在內應力時，總的自由能還將包括由應力引起的應力能，即：

(5)

式中：Eσ為應力能。

當僅考慮單軸方向的簡單張力時，在立方體系中，應力能Eσ表達式為：

(6)

式中：σ為應力;γ1、γ2、γ3分別為應力作用方向；λ100，λ111分別為磁致伸縮系數；α1，α2，α3分別為應力方向與三個晶軸間的夾角余弦。

對于磁致伸縮各向同性的材料，即λ100=λ111=λs，式(6)可簡化為：

(7)

式中：θ為磁化矢量方向與應力方向之間的夾角;λs為飽和磁致伸縮系數。

根據“實際存在的狀態必定是能量最小的狀態”的原則，只有減小應力能，使其趨于最小，才可以使總自由能趨于最小，從而使鐵磁體處于新的穩定狀態。根據式(5)和(7)可知，改變磁化矢量的方向可以減少應力能，使總的自由能最小。對于λs>0°的正磁致伸縮材料，θ為0°或π時都將使應力能最小；而λs<0°時，θ為90O或270O時才能使應力能達到最小。因而，力的作用將導致材料的易磁化方向改變，磁化強度的方向也發生改變，使鐵磁體磁場在某些方向增大或減小。當材料發生塑性變形時，鐵磁體內部將產生大量位錯，從而位錯應變能大量增加，其疊加在應力能之上，使應力能大幅增加，根據能量平衡理論，將導致磁場信號的突變。

2　試驗結果及分析

試驗采用打壓試驗的方式，選擇材料為X52鋼管，長度1 200 mm，直徑273 mm，壁厚5.6 mm的鋼管2根，壁厚為7 mm的鋼管6根。采用手工電弧焊進行焊接，兩根薄壁管處于中間，焊后對焊縫區進行射線和超聲波檢測，確保焊接質量。在薄壁管外壁不同高度上選定四個監測位置，固定三向磁記憶檢測探頭。同時在四個位置分別粘貼應變片，用以監測管道變形狀態,如圖1所示。磁記憶檢測設備為自主研發的高精度弱磁檢測儀，量程為09 999 nT，分辨率為1 nT。

試驗為水壓試驗，進行兩次打壓，試驗壓力為18 MPa。根據應變片監測結果可知，在兩次打壓過程中，四個位置均發生了塑性變形，應力應變規律及磁記憶信號特征表現出一致性。以位置1進行分析，第一、第二次打壓應力-應變曲線如圖2,3所示。

圖2　第一次打壓應力-應變曲線

圖3　第二次打壓應力-應變曲線

由圖2可知，第一次打壓過程中，當壓力達到13 MPa時，曲線出現拐點，應變斜率變大，說明材料開始發生塑性變形。由圖3可知，第二次打壓過程中，當壓力達到14 MPa時，曲線出現拐點，材料開始塑性變形，屈服應力的增加主要由加工硬化引起。

圖4　第一次打壓應力-磁感應強度曲線

圖5　第二次打壓應力-磁感應強度曲線

第一、第二次打壓應力-磁感應強度曲線如圖4,5所示。由圖4可以看出，管道在打壓過程中其x,y,z三個方向的磁場均發生變化，對于x向磁場，隨壓力的升高，其絕對值減小，呈線性變化的狀態，在壓力達到13 MPa(應變片顯示的屈服位置)時出現拐點，曲線斜率增加，意味著在塑性變形階段磁感應強度將發生突變并有明顯變化。對于y方向磁場，隨著壓力的升高，其絕對值增大，其他變化趨勢與x方向一致，在13 MPa時曲線也出現了拐點，曲線斜率增大。對于z方向磁場呈現先增加再升高再下降的趨勢，未表現出特殊規律。由圖5可以看出，x和y兩個方向的磁場變化趨勢與第一次打壓相同，并當應力達14 MPa屈服點時，曲線均出現拐點。與第一次打壓的曲線特征具有一致性。同樣對于z方向磁場未表現出明顯規律。

3　結論

(1) 管道表面磁記憶信號與應力相對應，隨著應力的增加，x方向磁場信號絕對值減小，y方向磁場信號絕對值增加，并在多次打壓過程中均表現出相同的變化趨勢。

(2) 當鐵磁材料達到塑性變形時，其x和y方向磁場發生跳變，曲線出現拐點，磁感應強度斜率增加。在多次施壓至塑性變形過程中，磁感應強度變化斜率出現降低的現象。由這些特征可判斷鐵磁材料的塑性變形。

(3) 通過檢測油氣管道表面弱磁場隨應力變化的特征，可實現管道塑性變形的在線無損檢測。

[1]李平全.油氣輸送管道失效事故及典型案例[J].焊管,2005,28(4):76-84.

[2]DUBOV A. Assessment of the material state of oil and gas pipelines based on the metal magnetic memory method[J].Welding in the World,2012,56(3/4):11-19.[3]DUBOV A. Development of a metal magnetic memory method[J].Chemical and Petroleum Engineering, 2012,47(11/12):837-839.

[4]楊理踐,劉斌,高松巍,等.基于密度泛函理論的磁記憶信號產生機理[J].儀器儀表學報，2013，34(4)：809-816.

[5]仲維暢.金屬磁記憶診斷的理論基礎—鐵磁性材料彈-塑性應變磁化[J].無損檢測2001,23(10)：424-426.

[6]LENG Jian-cheng,LIU Yang,ZHOU Guo-qiang,et al.Metal magnetic memory signal response to plastic deformation of low carbon steel[J].NDT & International,2013,55(3):42-46.

Magnetic Memory Testing for Plastic Deformation of Oil and Gas Pipeline

YANG Li-jian, WANG Guo-qing, LIU Bin, GAO Song-wei

(School of Information Seience and Engineering, Shenyang Universitiy of Technology, Shenyang 110870, China)

The plastic deformation of oil and gas pipeline was tested by magnetic memory testing. The energy balance under plastic deformation of ferromagnetic material was analyzed through dislocation theory. The change characteristic of magnetic signal was analyzed by ferromagnetic material energy balance theory. The bulge test was applied to pipeline. The magnetic signal was tested by magnetic memory testing equipment. The correspondence between magnetic memory signal and stress was studied. The change characteristic of magnetic signal along with stress change was obtained. The results show that surface weak magnetic signal will sudden change when plastic deformation emerges in ferromagnetic material. Moreover, the slope of stress-magnetic field curve rises. The repeated plastic deformation shall reduce magnetic field change rate.

Oil-gas pipeline; Plastic deformation; Dislocation theory; Magneticmemory testing

2016-01-06

科技部國家重大儀表專項資助項目(2012YQ090175)； 國家863計劃資助項目(2012AA040104)；國家自然科學基金資助項目(61571308)

楊理踐(1957-)，男，教授，主要從事管道檢測及無損檢測技術等方面的研究工作。

10.11973/wsjc201603003

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0008-03