基于磁各向異性的管壁應力集中區域檢測方法

楊理踐　呂志鵬　高松巍　鄭福印　劉斌

摘要：針對應力集中導致管壁發生屈服失效的問題，提出了利用磁各向異性檢測管壁應力集中區域的方法。從能量角度出發，研究了應力導致管壁產生磁各向異性的機理，建立了管壁當量應力與磁各向異性探頭輸出電壓信號的數學模型，通過計算管壁的當量應力判斷其是否發生屈服失效，搭建了應力檢測實驗平臺。實驗結果表明，應力會導致管壁產生磁各向異性，磁各向異性檢測方法能夠檢測出管壁當量應力的變化趨勢和主應力方向所在延長線的角度，進而判斷管壁是否產生應力集中區域。

關鍵詞：磁各向異性；管壁；屈服失效；第三強度理論；能量最低原理；能量守恒定律；磁化率；應力集中區域

中圖分類號：TE832 文獻標志碼：A 文章編號：1000-1646（2024）01-0097-06

為了保障管道的安全運行，需要定期對其進行檢查與維護。管道在服役過程中，會受到內壓、土壤和溫度等載荷的共同作用，局部應力異常會導致管壁產生應力集中，發生屈服失效，出現疲勞裂紋以及應力腐蝕裂紋。目前檢測應力主要包括磁記憶、巴克豪森效應和磁各向異性等磁學方法。

應力會導致鐵磁性材料在不同方向上的磁學特性呈各向異性，利用這種特性可實現對材料的應力檢測。OGNEVA等利用磁各向異性設計了由9個霍爾傳感器組成的圓形陣列式探頭，實現了對大型低碳鋼結構中殘余應力的測量；張富臣等設計了磁各向異性檢測平臺，測量了Q195鋼板不同應力條件下不同角度的磁滯回線，認為應力磁各向異性與剪應力有關；李立新等設計了同材料的三足、四足和六足結構的磁各向異性探頭，對靜拉伸狀態下16MnR鋼件進行了探頭對比實驗，結果表明，六足結構探頭靈敏度最高。

本文提出利用磁各向異性方法對管壁應力集中區域進行檢測的方法。根據最大剪應力理論判斷管壁是否發生屈服失效，基于能量最低原理解釋了應力導致管壁產生磁各向異性的原因，基于能量守恒定律建立了磁化率與應力的數學關系，基于等效磁路法建立了管壁當量應力與磁各向異性探頭輸出電壓信號的數學模型。

1 管壁應力集中區域與磁各向異性

3.1 應力致磁各向異性實驗

采用Q235鋼條進行單軸拉伸實驗，其體積為：600mm×60mm×16mm。將鋼條兩端夾持于萬能材料試驗機鉗口處，在彈性范圍內對其進行靜態拉伸，應力變化范圍為0-220MPa。探頭固定于鋼條中心位置，與鋼條中軸線的夾角分別為0°，30°，60°，90°，應力每變化10MPa，探頭采集一次數據，不同角度下的實驗曲線如圖7所示。

由圖7可知，當探頭方向不變時，探頭輸出信號隨著應力的增大而增大，且探頭輸出信號的變化越來越緩慢。即應力會使材料內部的磁化方向發生旋轉，從而改變探頭輸出電壓，且隨著應力的增大，磁化方向趨于穩定，逐漸形成穩定的易磁化方向和難磁化方向。

3.2 鋼板主應力方向檢測實驗

實驗試件為未知應力狀況的鋼板，長度為200mm，寬度為200mm，厚度為8mm，在應力待測位置粘貼45。直角應變花。

實驗先利用探頭對待測位置應力角度進行檢測，再利用小孔法對其進行檢測，以小孔法檢測數據為真實值，探頭檢測數據為檢測值，檢測結果對比情況如表1所示。

由表1可知，探頭對主應力方向所在延長線的角度檢測誤差在16°以內。誤差產生的原因：探頭擺放位置存在誤差；數據讀取存在視覺誤差；應力使磁化強度方向旋轉，不能完全平行于應力方向。

3.3 模擬管道當量應力數值檢測實驗

實驗試件采用直徑為273mm，壁厚為7.5mm，長度為4700mm的Q235鋼管。兩端進行封閉處理，隨后向管道內部壓人氮氣，內壓在1-6MPa連續變化，模擬實際運行時油氣管道受力狀態。

實驗過程中，將應變花貼在模擬管道上方軸向中心位置，應變花0°方向沿著管道軸向方向，90°方向沿著管道環向方向，利用應變儀采集90°方向的應力值減去0°方向的應力值得到其當量應力，繪制出應變儀檢測曲線。

探頭的擺放位置距離應變花50mm處，且處于同一軸線。將探頭檢測的電壓信號轉換為當量應力后，對其進行放大得到探頭檢測曲線，探頭檢測與應變儀檢測的曲線對比如圖8所示。

由圖8可知，磁各向異性檢測曲線與應變儀檢測曲線基本一致，證明可以利用磁各向異性方法對管壁當量應力進行定性檢測。

3.4 模擬管道應力集中區域檢測實驗

實驗試件采用直徑為273mm，壁厚為7.5mm，長度為1000mm的Q235鋼管。利用乙炔焊對管壁中心位置進行灼燒，灼燒半徑為50mm的圓形區域，隨后用冷水冷卻，使管壁產生應力集中區域。

沿管道軸向方向繪制5條直線作為檢測路徑，分別命名為路徑1、路徑2、…、路徑5，其中路徑3穿過圓形區域中軸線，每條路徑之間的距離均為45mm，長度均為300mm，實驗示意圖如圖9所示。

實驗過程中，探頭分別沿著檢測路徑1-5向前運動并進行數據采集，結果如圖10所示。

由圖10可知，檢測信號受應力的影響明顯，在應力集中區域，信號出現明顯波動；在域環方向，區域外部與區域內部的應力方向相反；利用磁各向異性探頭可以定性檢測出管壁應力集中區域的位置。

4 結論

本文利用磁各向異性檢測技術實現了對管壁應力集中區域的檢測，得出結論如下：在應力的作用下，管壁會形成易磁化方向和難磁化方向，產生磁各向異性；磁各向異性檢測方法可以檢測出管壁主應力方向所在延長線的角度和管壁當量應力的變化趨勢，判斷管壁是否發生屈服失效以及是否產生應力集中區域。

（責任編輯：景勇 英文審校：尹淑英）