基于磁记忆管道应力检测信号仿真和实验研究.pdf

2023 年 第 4 期Pipeline Technique and Equipment27 收稿日期:2022-05-06基于磁记忆管道应力检测信号仿真和实验研究曾繁宇,张保平,苗 棽,刘 斌,杨理践(沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳 110870)摘要:为了研究应力对磁记忆信号的影响,建立了力磁耦合模型,利用磁导率作为中间量建立磁记忆信号和应力之间的耦合关系。利用有限元法仿真了管道在不同管径、不同壁厚以及不同内压情况下应力集中区的磁记忆信号特征的影响规律,进行了不同内压下磁记忆信号采集实验。研究结果表明:管道的壁厚、管径以及内压都会影响应力集中区的应力,进而使得磁记忆信号发生了变化。关键词:磁记忆;应力;管道;有限元;磁导率中图分类号:TE8 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0027-05Simulation and Experimental Study of Pipeline Stress Detection Signals Based on Magnetic Memory ZENG Fanyu,ZHANG Baoping,MIAO Shen,LIU Bin,YANG Lijian(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:In order to study the influence of stress on the magnetic memory signal,a force-magnetic coupling model was es-tablished,and the coupling relationship between the magnetic memory signal and the stress was established by using the magnetic permeability as an intermediate quantity.And the finite element method was used to analyze the influence law of the magnetic memory signal characteristics in the stress concentration area of the pipeline under different pipe diameters,different wall thick-nesses and different internal pressures.Experiments of magnetic memory signal acquisition under different internal pressures were carried out.The results show that the pipe wall thickness,pipe diameter and internal pressure can affect the stress in the stress concentration area,and then the magnetic memory signal can change.Keywords:magnetic memory;stress;pipeline;finite element;magnetic permeability0 引言油气管道铺设呈现距离长、覆盖广、地形复杂等特点,随着经济的发展,能源需求日益增加,国内的油气管线里程数也在逐年递增1-2。然而管道在服役过程中,由于环境复杂3,会对管道造成损坏,主要是由应力集中引起的机械损伤,在管道内压的长期作用下会造成开裂引起油气泄漏4-5。因此对管道进行检测,降低管道事故的发生有重要意义。目前,应用较多的无损检测技术主要有电磁超声、脉冲涡流和超声导波等6,以上方法应用在管道内检测具有一定的局限性,但磁记忆检测技术更方便对管道应力进行检测7;其工作原理是在地磁场环境下检测,由于铁磁性材料受载荷和地磁场共同作用,在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向,这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然会保留下来8,因此产生了磁信号;磁记忆检测技术对管道检测条件要求不高,适合局部管段的快速扫查9。所以用金属磁记忆检测技术对应力集中进行检测,诊断油气管道的安全性,对管道运维有着重要意义1。通过检测磁记忆信号可判断应力集中情况,进而分析缺陷损伤状况10-11。但是目前对磁记忆信号形成的机理没有统一的结论,没有明确各种条件下的磁记忆信号特征12-13。对实验研究方法的有效性具有较高要求,很多实验方法具有一定局限性,不能有效说明磁记忆现象真实情况14-15。且相关研究没有涉及油气管道的 28 第 4 期管径和壁厚对磁记忆信号的影响。本文针对此问题通过仿真和实验分析管道壁厚、管径和内压对磁记忆信号特征的影响。1 力磁耦合理论铁磁性材料在没有外力作用时,材料受到外界磁场磁化产生的磁场能为16W1=HB12(1)式中:H 为磁场强度,A/m;B1为磁感应强度,T。当外界磁场不变时,铁磁性材料的相对磁导率与磁感应强度可表示为1=B10H(2)式中为 0为真空磁导率,H/m。铁磁性材料在受到外力作用时,材料受到外界磁场磁化产生的磁场能为16W2=HB22(3)式中 B2为载荷作用下的磁感应强度,T。当外力消失后,磁畴发生的不可逆磁化状态保留下来,此时相对磁导率为2=B20H(4)由式(1)和式(3)可知,外力对铁磁性材料的磁场能增量 W 为W=(B2-B1)H2(5)外部载荷会对铁磁性材料磁畴产生一定的影响,这就使得铁磁性材料的磁导率发生一些变化。根据能量守恒定律,载荷作用下材料能量变化可表示为(B2-B1)H=3(6)式(2)与式(4)代入到式(6)可得:(2-1)0H2=3(7)式中:为应力值,Pa;为磁致伸缩系数。由式(4)和式(7)推导得:B22=3022(8)式中 为 2-1的差值。此时铁磁性材料磁致伸缩系数 为=mB22B2m(9)式中:m为饱和磁致伸缩系数;Bm为铁磁性材料的饱和磁感应强度,T。将式(8)代入式(9)可得:B22022=3mB22B2m(10)式(10)化简得:22=3mB2m0(11)式(11)中可以推导出载荷作用下的铁磁性材料相对磁导率为2=B2m+B4m-12B2mm016m0(12)由式(7)可以看出,当没有外界磁场影响时,铁磁性材料在受到外力的作用时,磁感应强度会增加。通过式(12)可以得到,铁磁性材料的磁导率与应力有关,通过计算磁导率的变化可以分析应力对铁磁性材料的影响。磁导率作为中间量可有效建立磁记忆信号和应力之间的耦合关系。2 仿真结果与分析2.1 模型建立为了进一步研究磁记忆信号特征的力磁耦合特性。利用有限元方法对管道应力集中的应力进行模拟实验计算。首先,建立管道,管道长度是 2 000 mm,弹性模量为 2.11011 Pa,管径为 1 016 mm,壁厚为 18 mm,泊松比为 0.3,磁导率为 280 H/m。在管道的表面设置一个裂纹,裂纹尺寸为 50 mm3 mm6 mm。对管道两侧截面施加约束,并对管道施加 3 MPa 内压,在内压的作用下,管道与裂纹产生应力集中,应力集中分布云图如图 1 所示。图 1 管道裂纹应力分布由图1 可知,在施加内压的情况下,管道产生应力 第 4 期曾繁宇等:基于磁记忆管道应力检测信号仿真和实验研究29 集中。为了在管道外部真实模仿地磁场,需要在管道外建立空气场,空气场尺寸为 2 000 mm2 000 mm2 000 mm,并设置外磁场(50 T)。从而使得外场磁化后,管道的磁场分布发生变化。2.2 管道壁厚对磁记忆信号的影响由于管道在使用的过程中会出现不同程度的磨损,导致壁厚有所变化,另外在不同的施工场景会应用不同壁厚的管道,所以为了验证管道厚度对磁记忆信号的影响,设置管径为 1 219 mm,内压为 3 MPa,设置管道厚度变化范围为 1822.5 mm(间隔 0.5 mm)。在保持管径和内压一定的情况下,对不同壁厚的管道进行力学仿真,得到管道不同壁厚下应力值,见图 2。图 2 不同壁厚下应力集中区的应力由图2 可知,当管道的管径和内压不变时,管道壁厚增加,应力集中区的应力逐渐减小。在力学仿真基础上进行磁学仿真,沿管道裂纹尖端扫描获取仿真计算结果,得到不同壁厚下裂纹尖端应力集中区的磁记忆信号,绘制管道壁厚磁记忆轴向信号和径向信号,如图 3 所示。图3 展示了不同管道壁厚下应力集中的磁记忆信号特征,轴向信号具有极大值且信号峰值逐渐减小;径向信号具有过零点的极大值和极小值且信号峰值逐渐减小。磁记忆信号特征明显,管道壁厚与应力集中区磁记忆信号具有一一对应的关系。管道壁厚和应力集中处磁记忆信号具有近似线性变化趋势。当管道壁厚增加时,应力集中区应力减小,磁记忆信号强度减弱。2.3 管径对磁记忆信号的影响为了验证管径对磁记忆信号的影响特性。选取(a)轴向信号(b)径向信号图 3 不同壁厚磁记忆信号实际工程中常见的管道外径值为 114、152、245、273、325、377、402、426、480、500 mm;壁厚为10 mm,管道内压为 3 MPa。在保持壁厚和内压一定的情况下,对不同管径的管道进行力学仿真,得到不同管径下应力集中的应力值,如图 4 所示。图 4 不同管径下应力集中区的应力由图4 可知,当壁厚和管道内压一定时,管道管径增加,应力集中区的应力逐渐增加。在力学仿真基础 30 第 4 期上进行磁学仿真,沿管道裂纹尖端扫描获取仿真计算结果,得到不同管径下应力集中区的磁记忆信号,绘制管径磁记忆轴向信号和径向信号,如图 5 所示。(a)轴向信号(b)径向信号图 5 不同管径磁记忆信号图 5 展示了不同管径应力集中的磁记忆信号特征,轴向信号具有极大值且信号峰值逐渐增加;径向信号具有过零点的极大值和极小值且信号峰值逐渐增加,磁记忆信号特征明显。说明不同管径管道应力集中与磁记忆信号具有近似线性的关系,所以当管道管径增加时,应力集中区应力逐渐增加,磁记忆信号强度也会随着增加。2.4 管道内压对磁记忆信号的影响设管道的直径为1 016 mm,壁厚为16 mm,分别对管道施加0.55 MPa(间隔 0.5 MPa)的内压。保持管道的管径和壁厚一定,对不同内压下的管道进行力学仿真,得到不同内压下应力集中区的应力值,如图6 所示。由图6 可知,当壁厚和管径一定时,对应力集中区图 6 不同内压下应力集中区的应力的应力变化进行线性拟合可得,管道内压增加,应力集中区的应力逐渐增加。在力学仿真基础上进行磁学仿真,沿管道裂纹尖端扫描获取仿真计算结果,得到管道在不同内压下应力集中区的磁记忆信号,并利用作图软件绘制轴向信号和径向信号,如图 7 所示。(a)轴向信号(b)径向信号图 7 不同内压磁记忆信号图7 展示了内压对应力集中的磁记忆信号特征影响,轴向信号具有极大值且信号峰值逐渐增加,径向 第 4 期曾繁宇等:基于磁记忆管道应力检测信号仿真和实验研究31 信号有过零点极大值和极小值且信号峰值逐渐增加,磁记忆信号很明显。管道内压与应力集中磁记忆信号具有近似线性的关系,所以当管道内压增加时,应力集中区应力增加,磁记忆信号强度也会增强。3 实验分析本实验采用的管道是从实际运行管道截取的一部分,材质是 X70,雕刻出人工裂纹,其中管道的尺寸为:直径 1 016 mm,长度 6 000 mm,壁厚 14.5 mm。实验过程:首先将 X70 管道两端封住,在管道的两侧留有水嘴,分别为进水口和出水口。在实验进行时,将注水器与进水口相连接,将水注入管道进行打压,为了防止水压过大对管道造成损坏,需要通过传感器观察管道内压的变化,通过以上处理模拟在役管道的实际运行情况,管道实验材料如图 8 所示。图 8 实验管道材料在对管道注水打压的过程中,将管道内压从 0.5 MPa 逐渐调整到 3 MPa,当管道内压每增加 0.5 MPa时停止注水,并保持管道内压稳定且持续 30 min,当管道内压逐渐稳定后,利用 TSC-2M-8 金属磁记忆检测设备测量裂纹处应力集中区的磁记忆信号,提离值为 1 mm,不同管道内压下的磁记忆信号测量方向是垂直于裂纹。在此期间测量管道外部裂纹的磁记忆信号并记录,管道内压磁记忆信号图如图 9 所示。由图 9 可知,不同内压下应力集中区的磁记忆信号很明显,磁记忆检测技术能够准确检测管道应力集中区的应力,管道径向磁记忆信号具有极大值和极小值,轴向磁记忆信号具有极大值。当管道内压增加时,管道应力集中区的磁记忆信号具有逐渐增强的趋势,磁记忆信号的轴向峰值与径向峰值随管道内压增加呈现正相关变化,因此通过磁记忆信号检测应力集中具备可行性,与理论研究相符。(a)轴向信号(b)径向信号图 9 管道内压磁记信号图4 结论本文利用有限元方法分析管道的壁厚和管径对应力的影响,把力磁耦合关系引入到磁学仿真,研究了应力对磁记忆信号的影响,并进行系统实验,通过仿真得出以下结论:随着壁厚的增加,管道应力集中区的应力逐渐减小,磁记忆信号逐渐减小;随着管径的增加,管道应力集中区的应力逐渐增加,磁记忆信号逐渐增加;随着管道内压的增加,管道应力集中区的应力逐渐增加,磁记忆信号的逐渐增加。同时,通过实验验证了管道内压会影响磁记忆信号,与仿真情况吻合。上述结论表明磁记忆信号的影响因素有很多,为在役管道提供了检测依据,使检测效果更能真实反映实际管道损伤情况。参考文献:1 曹航,高倩钰,王真,等.非接触金属磁记忆检测在长输油气管道上的应用J.全面腐蚀控制,2021,35(10):7-14.(下转第 48 页)48 第 4 期的波速不同,选择合适的门槛值及波速,能够提升信号质量,减小误差。同时,信号经过不同结构的管道,导致能量衰减也会影响不同传感器的时差值。因此,在前期门槛值和波速确定时,需结合管道结构及环境情况综合考虑,选择合适的波速。4 结论在管道气压强度试验中,采用声发射技术可缩短施工工期,降低成本,有效解决极寒气候条件下水压试验易结冰堵塞管道及大量水源浪费问题,降低气体膨胀爆炸引起的人员安全风险。声发射检测系统传感器的选型及布置需要结合现场管道法兰、焊缝及异形结构情况,考虑噪音、信号过程衰减等因素,合理设置参数。后期,随着数据采集及信号处理技术的发展,声发射技术在动态信号监测方面的应用将成为趋势。参考文献:1 白光山.金属管道压力试验J.工程技术,2019(2):306-311.2 宫淑毓,杨锋平.输气管道试压技术的发展现状J.管道技术与设备,2013(1):47-49.3 王军.管道泄漏的声学检测方法研究D.北京:华北电力大学,2016.4 沈功田.声发射检测技术及应用M.北京:科学出版社,2015.5 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