X80管線鋼凹坑-劃痕缺陷的磁記憶檢測研究

西南石油大學機電工程學院

油氣管道對保障國民經濟運行和推動社會發展起著重要的作用。基于優良的設計和選材，油氣管道能保持長周期的安全運行。目前油氣管道多敷設于地下，第三方破壞或管道回填都可能對埋地管道造成不同程度的損傷[1]，產生凹坑、腐蝕、溝槽、裂紋以及褶皺等缺陷，對管道的安全可靠運行造成嚴重威脅[2]。

20 世紀末興起的金屬磁記憶檢測技術是一種基于鐵磁材料在地磁場和循環應力作用下的力磁耦合效應，通過檢測構件表面的磁場分布，來發現早期應力集中和宏觀缺陷的一種無損檢測方法，可用于構件損傷的早期識別和安全預警[3-4]。倪金祿等[5-6]進行了油管不同損傷程度的檢測研究，對刻傷尺寸與磁記憶信號之間的定量關系進行了探索；李云飛等[7-8]研究了X80 管線鋼試件在切槽、穿孔等機械損傷情況下，磁記憶信號與集中損傷程度的定性關系；姚凱等[9]分析了不同材質壓頭在45號鋼的接觸損傷試驗中對磁記憶信號的影響；劉文貞等[10]研究了X80 管線鋼疲勞損傷的磁記憶信號變化特征，提出了量化疲勞損傷程度的特征量。目前，利用金屬磁記憶檢測技術來診斷機械損傷的研究工作還很有限，且大多數集中在對表面金屬損失型缺陷的研究，而對接觸損傷的研究則很少，針對兩種缺陷檢測信號的對比分析更是未見報道。

針對上述情況，本文制備了帶有擠壓損傷凹坑和切割損傷劃痕的X80管線鋼試樣，進行了不同載荷強度的靜載拉伸試驗研究，得到兩種缺陷在不同變形程度下的磁記憶信號變化規律，對比分析了兩種缺陷的力磁耦合特性。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

選用X80管線鋼為研究對象，其化學成分如表1所示。X80管線鋼具備高強度、高韌性和優異的焊接性能，其屈服強度為551 MPa，抗拉強度為635 MPa。根據GB/T 228.1—2010 將其加工成標準板狀試件，其中間檢測段尺寸為120 mm×20 mm×4 mm。

表1 X80管線鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of X80 pipeline steel

1.2 試驗設備及方法

為避免試樣在加工過程中造成的應力集中對試驗結果產生影響，采用TC-3 臺式退磁器對試樣進行退磁處理。擠壓損傷試驗在CMT4304 萬能材料試驗機上進行，采用半圓柱型壓頭，在70 kN的載荷作用下，在試樣幾何中心位置壓制出一凹坑缺陷（20 mm×3 mm×0.8 mm）。為了進行對比分析，利用砂輪切割和銼刀打磨的方式，加工缺陷尺寸相同的劃痕缺陷。兩種缺陷試樣的照片如圖1所示。靜載拉伸試驗在MTS-809.25疲勞試驗機上完成，采用逐級加載的方式進行施載，達到預定值后，保持載荷10 s 再取下試件；再采用TSC-2M-8 磁記憶檢測儀進行試件表面磁場強度掃描，測試提離值保持2 mm不變，測試方向和地磁南北極方向垂直。

圖1 缺陷試樣照片Fig.1 Photo of defective samples

2 試驗結果

對帶凹坑和劃痕缺陷的試樣分別進行了3組重復試驗。通過數據分析發現，相同缺陷試樣間的力學性能和磁場分量信號具有很高的相似度。因此，各選取一組試樣進行對比分析，其檢測結果取兩條掃描線上磁場分量值的平均值。

2.1 載荷-應變曲線

通過靜載拉伸試驗，獲得了試樣的載荷-應變曲線（圖2）。在施載過程中，試樣經歷了彈性變形-屈服-塑性變形的不同階段。根據載荷-應變曲線，分別選取不同變形階段的5組載荷，用于研究不同缺陷試樣的磁記憶信號變化情況。其中，20 kN和30 kN對應于試樣的彈性變形階段；42 kN對應的應變量為0.07%，說明試樣開始屈服；50 kN 和55 kN 對應的應變量分別為1.00%和1.83%，表明試樣發生了明顯的塑性變形。

圖2 載荷-應變曲線Fig.2 Load-strain curve

2.2 載荷對凹坑缺陷的影響

對試樣進行逐級加載、卸載檢測，獲得了帶凹坑缺陷試樣在不同載荷下的磁場強度分布曲線（圖3）。如圖3a 所示，0 kN 時磁場強度法向分量H(y)整體上表現為水平直線，但在凹坑處出現了明顯的突變。拉伸載荷作用后，法向分量H(y)表現為傾斜的直線。隨著載荷增加，其斜率逐漸增大，進入塑性變形階段后，斜率變化出現反轉。但是，拉伸載荷作用后凹坑缺陷處的磁場畸變極不明顯，難以辨識。如圖3b 所示，0 kN 時磁場強度切向分量H(x)曲線在凹坑缺陷處形成了下凹的單峰。隨著拉伸載荷的增加，缺陷處曲線的峰值逐漸降低。從H(y)和H(x)曲線的對比分析發現，凹坑缺陷處切向磁場強度的變化趨勢更加明顯，說明切向分量對載荷變化的敏感程度更高。

為了更加直觀地表現缺陷處磁記憶信號的突變特征，將磁場分量H(y)和H(x)分別對Lx求導，獲得了磁場梯度的變化曲線（圖4）。各載荷下的磁場梯度在缺陷位置的變化規律非常明顯，法向梯度dH(y)/dLx在凹坑處出現極值，隨著拉伸載荷的增大，極值逐漸減小；切向梯度dH(x)/dLx在凹坑處出現峰-谷變化，并在幾何中心位置過零點，隨著拉伸載荷的增大，峰-谷值差減小。其中，切向梯度的變化幅度更大，趨勢更加明顯。

圖3 載荷對凹坑缺陷磁場強度的影響Fig.3 Effect of load on magnetic field strength of pit defect

圖4 載荷對凹坑缺陷磁場梯度的影響Fig.4 Effect of load on the magnetic field gradient of pit defect

2.3 載荷對劃痕缺陷的影響

采用相同的操作方法，獲得了帶劃痕缺陷試樣在不同載荷作用下的磁記憶信號。選取對載荷變化更加敏感的切向磁場分量來進行分析。如圖5 所示，在各載荷作用下，H(x)曲線表現為近似水平的直線，且隨載荷的增加而逐漸偏離初始狀態，該變化規律與凹坑缺陷一致。0 kN 時，在劃痕缺陷處并未表現出可分辨的磁信號異常，這與凹坑缺陷處H(x)曲線的峰值現象形成鮮明對比。但是，隨著拉伸載荷的增加，H(x)曲線在劃痕處出現了單峰，且峰值逐漸增大。從圖6可以看出，劃痕缺陷處的切向梯度dH(x)/dLx曲線逐漸出現峰-谷變化，過零點特征漸趨明顯，說明拉伸載荷在此處引起了逐漸顯著的應力集中現象。施載結束后，發現試樣在劃痕缺陷處出現了明顯的翹曲變形。

圖5 載荷對劃痕缺陷切向磁場分量的影響Fig.5 Effect of load on the tangential magnetic field component of scratch defect

圖6 載荷對劃痕缺陷切向梯度的影響Fig.6 Effect of load on the tangential gradient of scratch defect

3 分析與討論

從上述檢測結果可以看出，在初始狀態下，凹坑和劃痕缺陷的磁記憶信號存在明顯的差異。由于兩種缺陷尺寸相同，所以可以證明缺陷處的磁場畸變與探頭提離高度的變化無關。初始狀態的凹坑缺陷和高載荷作用下的劃痕缺陷均存在強烈的應力集中，使得該處的切向磁場強度低于其他區域，這一現象可以利用塑性應變場和退磁場理論進行解釋[11]。

試樣經過塑性變形卸載后，材料內部殘存的塑性能會產生一定的等效場分量，而這一部分能量可以和釘扎作用相聯系[12]。塑性變形產生的等效磁場為

式中：εp為塑性應變量；k為系數，，∈π為疇壁上的釘扎能，與材料屬性有關，m為磁疇磁矩。

殘余壓應力作用下，磁化矢量轉向與外加磁場相垂直的方向，從而導致明顯的退磁作用。基于這種現象，SCHNEIDER 提出了應力退磁因子[13]，表達式為

式中：λs為飽和磁滯伸縮系數；Ms為飽和磁化強度；Bs為飽和磁感應強度。

初始狀態下，由于殘余塑性變形的釘扎作用和殘余壓應力的退磁效應，凹坑缺陷處的切向磁場強度降低，曲線下凹；而劃痕缺陷是由表面金屬缺失引起的，沒有殘余應力留存，且深度較小，所以對于磁場強度幾乎沒有影響。

靜載作用下，拉應力將引起磁疇組織重新排列和磁化矢量轉向，削弱了凹坑缺陷處的殘余壓應力影響；同時隨著試樣伸長量的增加，在一定程度上釋放了凹坑處的集中應力，從而使得凹坑缺陷處的磁場強度逐漸恢復。與此相對，劃痕缺陷處由于壁厚減薄，其應力水平高于其他區域；同時幾何結構的不連續也促使此處更容易產生應力集中現象，且隨載荷的增加而加劇。所以在高載荷作用下，劃痕缺陷處將產生明顯的塑性變形，使材料內部的位錯密度迅速積累，阻礙了磁疇的有序化運動；塑性變形卸載后的殘余壓縮應力也將產生顯著的退磁效應，最終導致此處出現典型的磁記憶信號畸變。

為了更加直觀地比較凹坑和劃痕缺陷的力磁耦合特性，選取-20～20 mm區域內，切向磁場梯度的峰谷值差Sp-p來進行具體分析。如圖7所示，隨拉伸載荷的增加，凹坑缺陷處的Sp-p值逐漸減小，而劃痕缺陷處的Sp-p值則逐漸增大。兩種缺陷的Sp-p值隨載荷的變化呈相反的近線性關系。Sp-p值的變化直觀地反映了缺陷處的應力集中狀況，可用于試樣塑性損傷程度的表征。

單一平滑的凹坑缺陷在其形成過程中，將產生一定的應變硬化效應[14]，當其深度較小時，幾乎不會降低試樣的拉伸強度。所以在較高的塑性應力作用下，凹坑缺陷處的Sp-p值較小，應力集中程度較低，未表現出塑性損傷特征。而相同深度的劃痕缺陷對試樣的拉伸強度有明顯的影響，Sp-p值較大，應力集中程度較高，最終導致了明顯的塑性變形損傷。

圖7 Sp-p與載荷的關系Fig.7 Relationship between Sp-pand load

4 結論

（1）凹坑和劃痕缺陷表現出截然不同的磁記憶信號特征，其中切向磁場分量對載荷的敏感程度更高，可有效地反映缺陷處應力集中狀態隨載荷變化的情況。

（2）凹坑和劃痕缺陷處的應力集中導致磁記憶信號突變的現象，可用塑性應變場和退磁場理論來解釋。

（3）凹坑和劃痕缺陷處，切向磁場梯度的峰谷值差與試樣的損傷程度存在近線性關系，但變化趨勢相反，該力磁效應特征直觀地反映了試樣的損傷程度，可為X80管線鋼機械損傷的診斷和定量評估提供參考依據。