基于弱磁法的管道裂紋內檢測技術探索

羅寧* 劉斌 何璐瑤 陳翠翠 高富超

（1.沈陽工業大學信息科學與工程學院；2.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司）

0 引言

在油氣管道建設及運行過程中，管材在內壓及外部載荷作用下，結構的不連續性會在局部產生應力集中，部分應力集中可能導致管材局部產生裂紋并發生擴展。裂紋是壓力管道最危險的一種缺陷，也是導致壓力管道失效較常見的原因［1］。

目前，管道漏磁內檢測技術是管道內檢測領域應用最廣泛的技術，在金屬損失、焊縫異常等問題的檢測中發揮了重要作用。該技術能夠探測和識別具有一定開口寬度的裂紋及類裂紋缺陷，但難以有效探測和識別開口寬度較小的裂紋類缺陷，因此該技術在檢測管體的裂紋及類裂紋缺陷時存在一定局限性［2-6］。弱磁內檢測技術可有效識別寬度較小的裂紋，且具有設備輕便、無需磁化、快速便捷等優點，發展潛力巨大，受到國內外同行普遍重視［7-9］。

利用仿真軟件建立了管道裂紋受力模型及力磁耦合模型，通過模擬管道裂紋擴展過程中的應力分布及裂紋尖端應力值變化時的弱磁信號強度，分析管道裂紋的弱磁信號特征以及裂紋擴展前的信號變化規律。

1 弱磁信號與裂紋關系研究

1.1 裂紋及其應力分布仿真

在外部載荷作用下，管道裂紋缺陷附近存在著明顯的應力集中分布，隨著裂紋的逐漸擴展，應力分布情況隨之變化。在裂紋萌生與初始裂紋擴展前，裂紋尖端的等效應力未達到疲勞失效值，隨著時間的延長應力逐漸增加。在這一過程中，可以通過應力的大小判斷裂紋萌生及初始裂紋失效程度［10-12］。

利用Abaqus（有限元數值模擬技術）仿真軟件進行力學仿真，建立X80管道的裂紋擴展模型，通過提取裂紋擴展前裂紋尖端的等效應力值，得到初始裂紋失效前裂紋尖端的等效應力值變化情況。仿真中，裂紋從0幀開始受到外部載荷作用，載荷加載期間幀數逐漸增加。

仿真采用半邊管道對稱模型，管道材料為X80管線鋼，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa，管道直徑為1 219 mm，管壁厚度為18.4 mm。初始外裂紋長度為10 mm、深度為4 mm，根據對稱關系，裂紋實際長度為20 mm。對管壁內表面施加10 MPa壓力載荷，模擬管道裂紋的擴展。仿真過程中，裂紋的損傷準則采用最大主應力準則，最大主應力設為84.4 MPa，損傷演化采用基于能量的線性軟化、冪法則的混合模式行為，斷裂能由實驗得到的應力-應變曲線計算得到，為33 001 N/m。X80鋼材的應力-應變曲線見圖1，模型及仿真效果見圖2。

圖1 X80鋼材應力-應變曲線

圖2 仿真圖

仿真過程中應力分布情況見圖3。提取裂紋尖端等效應力值。等效應力的數值在載荷加載后逐漸增加直至裂紋擴展，裂紋尖端的應力分布云圖會隨著裂紋擴展而變化。模型中裂紋尖端單元編號為12670，裂紋長度在第34幀時發生擴展，因此，提取34幀之前每一幀的等效應力值，具體見表1。裂紋擴展前裂紋尖端等效應力值隨時間的變化情況見圖4。

圖3 應力分布云圖示意圖

表1 裂紋尖端等效應力值（1～34幀）

圖4 裂紋尖端等效應力變化曲線

由表1及圖4可知，管道裂紋的失效伴隨著裂紋尖端等效應力值的增加，當裂紋尖端斷裂能達到33 001 N/m時，裂紋失效擴展。因此，在進行管道裂紋檢測時，可以通過裂紋尖端的等效應力值判斷裂紋的失效程度。

1.2 應力與磁導率關系

根據能量守恒原則，單位體積磁化功之差等于由外應力所引起的單位磁能的變化量。

單位體積的磁能為：

式（1）中：W——單位體積的磁能，J/m3；H——外磁場強度，A/m；B——單位體積介質內的磁感應強度，T。

當介質不受外應力時，一定磁場環境下，磁通密度為B1，磁能為W1，相對磁導率為1μ；當介質受外應力時，磁通密度為B2，磁能為W2，相對磁導率為2μ。單位體積的磁能變化量為：

結合式（1）和式（2）得：

已知：

式（2）～（4）中：ΔW——單位體積的磁能變化量，J/m3；B地——地磁場磁感應強度，5×10-5T；0μ——真空磁導率，取4π×10-7T·m/A。將式（4）代入式（3），整理得：

單位體積磁化功是外應力引起的單位體積的鐵磁體形變所做的功，即：

式（6）中：ΔlW——單位體積磁化功，J/m3；Δl——由外力引起的鐵磁體沿受力方向的彈性形變量，m；l——鐵磁體沿受力方向的長度，m；σ——外應力，MPa。由胡克定律可知：

式（7）中：E——材料彈性模量，MPa。由ΔW=ΔWl，整理式（5）～（7）可得：

得到磁導率和外應力的關系式：

1.3 磁導率與磁信號關系

建立三維的鐵磁體平板模型進行靜磁學仿真，取地磁場環境下只受磁導率影響的鐵磁體表面磁信號。為避免不同磁導率對鐵磁體磁化的影響，每組實驗給模型賦予單一磁導率，取模型中心處上方的磁信號進行分析。

模型如圖5所示。外層為空氣層，相對磁導率1μ為1，在空間中施加磁平衡條件，磁感應強度大小為地磁場磁感應強度B地=5×10-5T。內層為鐵磁體，分別設置不同磁導率進行檢測。掃描路徑為沿磁化方向提離1 mm。

圖5 模型及掃描路徑

通過靜磁學仿真得到不同磁導率下的鐵磁體表面磁信號，如圖6所示。

圖6 磁導率-磁感應強度曲線

1.4 等效應力與磁信號關系

將圖6中的仿真數據與表1結合，得到等效應力與磁信號強度的關系曲線。等效應力與磁信號強度的關系曲線見圖7。

圖7 等效應力-磁感應強度曲線

由圖7可知，在彈性范圍內，等效應力的大小和信號強度呈線性關系，隨著等效應力的增加，磁感應強度呈線性減弱趨勢。

1.5 裂紋信號特征仿真

仿真過程中半邊裂紋的應力分布云圖見圖3。從裂紋中心至裂紋尖端的單元號為12661—12670，12671—12680單元分別距離裂紋尖端1～10 mm，如圖8所示。取34幀時各單元的等效應力值，具體見表2。

圖8 單元位置示意圖

表2 34幀時裂紋各單元等效應力值

利用上述方法可以得到半邊裂紋的弱磁信號，如圖9所示。通過對稱關系可知，管道上裂紋的弱磁信號特征為出現峰值，峰值位于裂紋中心12661單元處，信號波動寬度略大于裂紋長度。隨著探頭遠離裂紋尖端，磁信號逐漸趨于平穩。24幀時裂紋的弱磁信號強度波動大于14幀，即，裂紋在彈性形變階段，隨著裂紋尖端等效應力增加，弱磁信號波動變大，使裂紋特征更容易被檢測到。

圖9 仿真計算弱磁信號特征

2 含裂紋鋼材彈性拉伸實驗

為驗證理論推導的正確性，設計了X80鋼材的彈性拉伸實驗，實驗試樣如圖10。裂紋方向垂直于拉伸方向，裂紋尺寸長20 mm、寬0.5 mm、深2 mm。實驗裝置及檢測設備放置如圖11。

圖10 拉伸試樣

圖11 實驗裝置

實驗采用100 t的微機控制電液伺服萬能試驗機，逐漸增加拉力以改變裂紋尖端受到的應力值。采用弱磁檢測設備采集裂紋尖端正面弱磁信號，信號數據見圖12。

圖12 試件正面裂紋尖端信號

由圖12可以看出，在100 MPa的拉力范圍內，磁信號強度隨著應力值的增加而減小，與仿真結論相吻合，驗證了理論仿真的正確性。

3 結論

由X80鋼材制作的管道上的裂紋，在受到拉伸載荷后，裂紋尖端的應力值逐漸增大，在管材彈性形變階段，弱磁信號呈線性變化。利用弱磁方法檢測裂紋時，裂紋信號特征為出現峰值，裂紋周圍等效應力越大，信號強度波動值越大。

通過對弱磁內檢測技術檢測裂紋方法及裂紋弱磁信號特征的研究，表明該方法在檢測裂紋方面具有巨大潛力，可以作為漏磁檢測技術的補充輔助排查裂紋缺陷。目前，弱磁內檢測技術已在西氣東輸二線天然氣管道進行應用，效果良好。但是，由于研究內容是在預制裂紋的基礎上開展的，如何區分裂紋缺陷與腐蝕型缺陷的信號特征還需進一步深入研究。