交變載荷作用下管道焊縫金屬磁記憶信號分析

姚立東，王偉

（安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230051）

0 引言

在地磁場環境和工作載荷共同作用下，鐵磁性材料內部會發生磁致伸縮變化，導致磁疇組織發生不可逆的變化。其外在表現為鐵磁性材料存在應力集中區，應力集中區的大小可以通過漏磁場Hp的變化表示。在取消工作載荷后，鐵磁性材料的磁化狀態得以保留，這就是磁記憶現象。本研究通過對壓力管道焊縫施加不同程度的交變載荷，分析其信號的特征值。

1 試驗準備

1.1 設備和傳感器

為表征交變載荷作用下壓力管道焊縫漏磁場，本文采用的是俄羅斯動力診斷公司的TSC-4 M-16應力集中診斷儀，使用TSC-4 M-16可對數據進行采集和初步分析。

TSC-4 M-16主要性能如下：

（1）通道Hp測量范圍：±2 000 A/m；（2）Hp 測量通道數：16 通道；（3）基本相對誤差：± 5%；（4）最小測量步長：1 mm；（5）最大測量步長：128 mm；（6）長度絕對誤差：±1 步長；（7）最大掃描速度：0.5 m/s；

傳感器采用1-8 M掃描裝置，1-8 М型掃描裝置是8通道接觸式焊縫檢測掃描裝置，常用在對管道、焊縫、容器、平板等工件的應力集中的局部快速掃查。傳感器可根據管道焊縫的形狀調節，集成有4個輪子的計數器，用以記錄檢測長度，同時測量磁場的兩個磁場分量可以采集到更全面的數據。試驗時，傳感器調節至與管道焊縫貼合，較少提離效應的影響，使檢測結果更準確，同時，實現款速掃查[1-2]。

1.1 試件

試驗管道材質為20鋼，采用V型坡口，焊接方法為氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面，余高磨平，焊接后通過X射線檢測，確保其無裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、夾渣等結構性缺陷，并對焊縫進行熱處理，消除其殘余應力，試驗管道規格、數量如表1所示。

表1 試塊參數

2 試驗方法

試驗采用疲勞試驗機對管道施加交變載荷，用以模擬實際工況下管道承受的交變載荷，分別對每組管道施加5 000次/分鐘 的交變載荷，試驗開始前采集未施加交變載荷的管道焊縫磁記憶信號，之后每施加5 min交變載荷后對管道進行1次數據采集。磁記憶檢測信號數據采集過程：將1～8 M掃描裝置與TSC-4 M-16應力集中診斷儀相連，按設備說明書對設備和傳感器進行校準，設置參數為默認掃描參數，進入掃描界面進行數據采集，1～8 M掃描裝置置于焊縫上方，傳感器貼合焊縫，從12點鐘位置，沿著焊縫順時針旋轉360°，掃描后對文件進行存儲。

3 檢測信號處理

1960年，匈牙利數學家R.E.Kalman提出了一種卡爾曼自適應算法，是一種解決線性濾波和預測問題的新方法。卡爾曼濾波器實際上是一種最優化自回歸數據處理算法(optimal recursive data processing algorithm)。卡爾曼濾波器對每個時刻的系統擾動和觀測誤差（即噪聲），只要對它們的統計性質作某些適當的假定，通過對含有噪聲的觀測信號進行處理，就能在平均的意義上，求得最小誤差的真實信號估計值。卡爾曼濾波器被廣泛應用于傳感器數據融合、軍事方面的雷達和導彈系統以及圖像處理等領域[3-4]，其算法模型如下：

假設信號模型如公式（1）所示：

式 中： y(n)=k×1 是 在n時 刻 矢 量 信 號 的 狀 態；A(n? 1 )為k×k矩陣。

為了將前一刻的信號狀態與現在信號狀態聯系起來，也就是將y(n-1)和y(x)聯系起來。假設n-1時刻和n-1之前時刻所有觀察值y(n-1)的估計為(n? 1 |n?1 )。則y(n)進一步預測估計如公式（2）所示：

由此，可以得到計算所需要的觀察值的遞歸公式。并且可根據公式（3）預測誤差，預測誤差如公式（4）所示：

進一步將卡爾曼自適應濾波估計如公式（5）所示：

公式（6）稱為卡爾曼自適應濾波器增益矩陣，將其帶入公式（5），根據和得出卡爾曼自適應預測和濾波公式分別如公式（7）和(8)所示：

預測：

濾波：

4 試驗結果與分析

管道焊縫及其附近的熱影響區在消除殘余應力后，其內部磁疇組織呈現均勻變化，而在連續施加交變載荷后，局部高應力區（即應力集中區），由于地磁場信號、焊縫自有漏磁場信號、施加交變載荷、現場干擾信號等均對檢測信號產生不同程度影響，將出現急劇的磁化狀態變化區。這種焊接接頭磁化強度沿著經歷交變載荷過程造成的主應力作用方向的不可逆變化以及它們在地球磁場中冷卻后的殘余磁化強度就稱之為焊接接頭的磁記憶效應。本文應用俄羅斯動力診斷公司TSC-4 M-16對管道試塊進行檢測，為保證檢測數據的真實有效，檢測前將試塊進行固定，減小因檢測過程中出現抖動而產生的干擾信號，應對現場磁場信號進行減小，測試時應盡量原理可能產生干擾信號的信號源，并對每一試塊進行多次檢測，選取其中檢測信號相近的兩組中的任意一組作為最終的檢測結果，并記錄檢測數據[5-6]。根據磁記憶檢測信號曲線，提取檢測信號峰值和最大梯度值作為時域信號特征值，對管道試塊的試驗檢測信號特征值如表2所示[7]。

表2 試塊檢測信號特征值

通過對3組檢測信號的對比分析，發現隨著施加交變載荷時間變化其磁場梯度值和峰值逐漸變大，對于相同管徑下不同壁厚管道焊縫的磁記憶信號特征峰值隨壁厚增加而增大，這是由于壁厚越大，其內部磁疇組織對信號影響越大，壁厚大顯示出來的漏磁場也相應增大。而對于壁厚相同而管徑不同，施加相同交變載荷下時間的磁記憶信號峰值和梯度值無明顯變化，這是由于其厚度相同，外加交變載荷相同時，其內部磁疇特異性組織變化相似，故所產生的的磁記憶信號相似。

5 結語

（1）通過觀察施加交變載荷后管道焊縫的金屬磁記憶信號，可清楚觀察管道焊縫產生應力集中區及應力水平變化。管道焊縫應力水平隨施加交變載荷時間增加而增大，其特征值表現為峰值和梯度值均增大。

（2）對于相同管徑不同壁厚的管道焊縫，施加相同交變載荷時間下的磁記憶信號特征峰值隨壁厚增加而增大，特征梯度值也隨壁厚增加而增大。

（3）而對于壁厚相同而管徑不同，施加相同交變載荷時間下的磁記憶信號峰值和梯度值變化情況相似。