X80管线钢塑性损伤诱发磁化无损评价研究

X80管线钢被广泛用于石油、天然气输运管道中,其钢材构件出现塑性损伤等缺陷后易产生较大安全隐患。为保证系统运行安全,准确检测和评估构件塑性损伤程度,该文采用金属磁记忆方法对X80钢材塑性损伤与损伤诱发磁场强度之间的关联性进行实验研究与分析。针对两种含典型缺陷的管线钢平板试件,采用实验拉伸机导入不同程度应力集中与塑性损伤,同时通过光学应变测量系统实时获取试件表面应变分布,采用自行搭建的微量磁场检测系统测量试件表面诱发磁场法向分量。结果表明:试件诱发磁场强度法向分量与塑性损伤程度之间具有良好相关性,初步建立X80钢塑性损伤与诱发磁场的非线性关系曲线与定量表达式,可为X80钢材构件塑性损伤程度与无损评价提供一定参考。     

管线钢半穿孔损伤的金属磁记忆检测研究

油气运输管道出现穿孔、裂纹及塑性变形等机械损伤后易导致安全隐患并造成重大事故。该文采用金属磁记忆法对半穿孔损伤的X80管线钢试件进行检测分析,通过金属磁记忆微量磁场检测系统测量机械损伤诱发磁场的法向分量信号,并采用ARAMIS三维光学全场动态应变测量系统实时获取试件表面应变分布。根据结果得出两者之间的非线性关系,并验证金属磁记忆法检测管线钢半穿孔机械损伤的可行性,为X80管线钢构件或输运管道的定量无损评估提供基础依据。     

X80管线钢不同变形状态的磁记忆检测试验研究

为探明管线钢在不同变形状态的力磁耦合特性,以实现油气管道塑性变形损伤的早期预警,本文开展了X80管线钢在弹塑性变形阶段的磁记忆检测试验研究。采用疲劳试验机对标准板状试件导入不同变形状态,通过应力-应变监测系统获取试件的实时应变情况,同时利用磁记忆检测仪对卸载后的试件表面磁场强度进行离线扫描。结果表明:在弹性变形阶段,磁场强度分布曲线表现出线性程度较好的直线,在塑性变形阶段则出现局部畸变;以磁场强度法向分量的斜率和切向分量的绝对值为特征参数,其随应力增加先增大后减小的变化规律反映了材料的弹塑性转变过程;利用改进的J-A磁机械模型可以合理地解释弹塑性变形过程中磁信号的反转现象;切向分量对局部塑性变形的表征比法向分量更为敏感,根据切向分量的变化可以判定试件是否进入塑性变形阶段,根据切向磁场梯度最大值与应力的量化关系,可以表征试件的应力集中状态,为塑性变形损伤的诊断提供依据。     

铁磁试件缺口种类对磁记忆信号的影响研究

为研究铁磁试件不同缺口对磁记忆信号的影响,利用ANSYS有限元仿真软件,结合力磁耦合模型,在拉应力和地磁场的共同作用下对3种不同缺口的20#钢板进行仿真,分别提取磁记忆信号切向分量和法向分量。仿真结果表明：在地磁场作用下,随着拉应力的增大,3种试件在各自缺口处均出现应力集中现象,在拉应力大于120 MPa后应力集中现象愈发明显。受到同样大小的拉应力时,V形缺口试件倾向于裂纹的扩展,而U形缺口试件倾向于裂纹的形成,U形缺口的应力集中范围更大,因此双关联缺口试件在U形缺口处更易断裂。双关联缺口试件磁记忆信号法向分量约为检测路径上两个缺口处磁记忆信号值的叠加之和,故试件被近似磁化成一个磁铁。双关联缺口试件检测路径中间点的磁记忆信号切向分量并没有极值,因此用其判断双关联缺口试件的应力集中区不再适用。缺口试件在弹性阶段,磁记忆信号随拉应力变化幅度较小;缺口试件在塑性阶段,磁记忆信号值随拉应力变化幅度较大。因此可以利用试件弹、塑性阶段磁记忆信号变化,对工程试件的缺陷损伤进行早期识别。     

封面图片说明

金属磁记忆(MMM)检测技术在埋地管道缺陷的非开挖检测和早期损伤诊断方面极具应用潜力。在本期刊载的论文"X80管线钢不同变形状态的磁记忆检测试验研究"中,西南石油大学机电工程学院杨晓惠博士等人,通过X80管线钢静载拉伸试验,分析了在弹塑性变形状态下试件表面的磁记忆信号变化规律,并利用改进的J-A磁机械模型合理解释了磁信号的反转变化。     

基于磁记忆的钢结构应力表征技术

通过对Q345B小孔缺陷试件及无缺陷试件施加轴向拉伸荷载,分析其表面的磁记忆信号,发现法向磁场强度可用来对试件的危险区域进行定位,弹性阶段磁记忆曲线近似斜直线,塑性阶段磁记忆曲线出现非线性变化。梯度曲线在应力集中处有最大值,且其峰值与试件工作应力有较强的指数关系,可利用梯度峰值表征构件所受的应力。     

外加磁场对Q235钢力磁效应影响试验研究

为研究外加磁场对铁磁材料力磁效应的影响,制作通不同大小直流电的螺旋管作为外加磁场,对带有圆孔缺陷的Q235钢试件进行干扰的静载拉伸试验。结果表明:在地磁场环境中,经去应力退火的试件在没有施加载荷时,初始磁感应强度值趋近于0,磁记忆信号曲线近似水平直线;在施加载荷时,法向磁信号和切向磁信号曲线均发生波动,产生非线性变化;在一定外加磁场范围内,在外加磁场方向和地磁场方向存在差异时,外加磁场与磁记忆信号具有不同的相关性,同向外加磁场越大时,应力集中区磁记忆信号愈加明显;外加磁场的大小不改变其法向和切向磁记忆信号曲线变化规律,但影响其磁感应强度B值和斜率K值的大小,并且对在弹性阶段和塑性阶段法向和切向磁记忆信号的影响也存在差异性。     

不同初始磁状态U75V钢变形阶段的磁记忆参数表征

通过对经退磁处理和未消磁的U75V钢光滑试件进行静载拉伸试验研究了初始磁状态对试件表面磁信号的影响。结果表明:消磁试件长度范围内的表面磁场在弹性阶段呈现很好的线性分布。进入塑性后,切向磁场出现局部弯曲。利用切向磁场均值和法向磁场斜率变化可以区分弹塑性阶段以及确定弹性阶段的应力幅值;未消磁试件随着载荷增加其表面磁场波动幅度减小,由初始无规律分布逐渐转向磁有序状态。利用未消磁试件长度范围外的磁记忆信号曲线的磁场均值及斜率变化可以有效表征不同的变形阶段。     

基于磁记忆的受弯钢梁力-磁效应试验

建筑钢结构磁记忆检测技术的关键问题是确定磁记忆信号与内应力之间的关系。由于应力与应变是一一对应关系,故本文通过研究磁记忆信号与应变的关系,得到其与应力之间的关系。分析表明:钢梁下翼缘表面法向漏磁场强度与拉应变有着一定的关系,不论是处于弹性阶段,还是塑性阶段,磁记忆信号曲线变化与其应变变化趋势表现一致,磁记忆信号曲线可以反映应变的变化状态。钢梁腹板表面磁记忆信号与其水平压应力之间呈线性关系,无明显的拐点;但不同钢梁试件在相同应变下磁记忆信号强度存在差值,目前仅能作出定性评判。     

拉伸情况下含裂纹16MnR钢的磁记忆检测实验

利用磁记忆方法检测压力容器用钢裂纹扩展和塑性变形的可行性.利用压力容器常用材料16MnR制作拉伸试件,在其上预制垂直于试件长度方向的不同几何尺寸的裂纹,在材料试验机上进行拉伸实验.利用磁记忆传感器检测试件表面裂纹尖端磁场强度法向分量信号,研究不同拉伸阶段裂纹尖端磁信号的变化规律,利用铁磁学基本理论研究和解释复杂实验现象.在对拉伸载荷变化和磁信号变化规律进行分析的基础上,提出了载荷梯度参数的概念,实验表明:利用该参数可以较好地表征压力容器用钢的弹塑性应变.     

X65管线钢焊接接头在模拟浅表海水环境中的应力腐蚀试验研究

在海水环境中,由于海水从海底管道外管焊缝浸入,导致外管焊接接头断裂。为了研究可能导致X65外管焊接接头断裂的因素,应用慢应变速率拉伸试验(SSRT),通过应力-应变曲线、扫描电镜(SEM)等手段分析了3个X65管线钢焊接接头在空气及模拟浅表海水环境中的应力腐蚀性能。结果表明:在空气中X65钢焊接接头试样的延长量最大,达5.6 mm,在模拟海水中试样的延长量均减小,其中2号试样延长量最小,仅3.6 mm,表明试样在浅表海水中塑性变形能力降低;模拟海水中3个试样的应力腐蚀敏感性指数均处于有应力腐蚀倾向的范围;在空气中试样的断裂为韧性断裂;在浅表海水环境中试样的断裂为韧性断裂与脆性断裂的混合断裂,有应力腐蚀开裂的趋势;海水中含有的大量Cl~-导致焊接接头的应力腐蚀敏感性升高,失效风险增加。     

Mapping of Deformation-Induced Magnetic Fields in Carbon Steels Using a GMR Sensor Based Metal Magnetic Memory Technique

Giant magneto-resistive (GMR) sensor based metal magnetic memory (MMM) technique is proposed for mapping of deformation-induced self-magnetic leakage fields (SMLFs) in carbon steel. The specimens were subjected to different amounts of tensile deformation and the deformation-induced SMLFs were measured using a GMR sensor after unloading the specimens. 3D-nonlinear finite element modeling was performed to predict stress–strain state in a steel specimen under tensile load. The experimentally obtained SMLF images were correlated with the finite element model predicted stress–strain states. Studies reveal that the MMM technique can detect the plastic deformation with signal-to-noise ratio better than 20 dB. The technique enables the mapping of plastic deformation in carbon steels for the evaluation of the severity of deformation. The study also reveals that deformation-induced SMLF is influenced by the presence of initial surface residual stress, introduced by shot peening. The intensity of SMLF signal is found to increase with increase in tensile load and decrease with shot peening.     

拉伸载荷作用下中碳钢磁记忆信号的机理

测量了中碳钢试件表面各点的磁记忆信号，并观察断口的组织，研究了外载荷对磁记忆信号的影响和金属磁记忆的微观机理．结果表明：在弹性变形阶段内，随着载荷的增加中碳钢试件表面各点磁信号值由初始无规律分布逐渐向磁有序状态转变；进入塑性变形阶段后，位错对磁畴运动的钉扎使磁有序转变过程停止，磁信号几乎不再随载荷而变化．对于在弹性和塑性加载范围内卸载的两个试件，表面磁信号均具有不同程度的时效现象，试件的断口呈现韧窝及准解理混合断裂形式．     

有缺陷钢丝绳单丝受拉破坏的磁记忆信号变化全过程

设计了钢丝绳单丝在轴向受拉条件下的试验,采用保载在线测量的方式获取各点的磁记忆信号,发现磁记忆信号曲线存在极值现象,初始阶段其波峰波谷现象不明显,随着荷载增大波峰波谷逐渐形成,并向两缺陷处移动。当荷载加至拉断的前一级时,波峰波谷正好落在缺陷处,拉断后波峰波谷出现反转现象,在整个拉伸过程中,磁记忆信号曲线很明显地分为四个阶段:初始阶段、波峰波谷开始形成阶段、波峰波谷形成并随荷载的增加开始移动阶段与拉断后波峰波谷出现反转阶段。将相邻荷载下对应点的磁记忆信号做差,并求磁场均值和标准差,发现均值和标准差曲线与磁化曲线类似,都可划分为三个阶段,并且各个阶段的分界点相同,同时方差曲线与均值曲线都和磁化曲线有很好的对应关系,根据这种关系提出磁记忆检测技术的分段式判别方法。     

碳素钢在不同应力作用下的漏磁场分布特征

选取45#钢平板缺口试样进行拉伸实验,在线测量各组试样在不同拉伸载荷时的试样表面漏磁场分布;同时利用ANSYS有限元分析软件对各组试样在不同拉伸载荷下的应力分布进行有限元分析,并提取应力分布结果.分析了试样表面漏磁场分布与应力分布之间的关系以及应力对磁记忆信号的影响;在磁记忆特征值提取方面,利用传统的磁场梯度K值可以有效检验应力集中部位,同时本文提出一种新的基于磁记忆信号能量的检测特征值,实验证明可以通过此特征值对试样的安全性做出检测及评估.     

铁磁性材料的力磁效应机理探讨与实验研究

基于sablik-jiles-atherton模型和材料的自发磁化规律,在理论上探讨了更为简洁的力磁关系模型,分析了铁磁性材料在外应力和地磁场作用下的漏磁测量机理,获得了试件表面漏磁场信号切向最大、法向过零的特点.结合试件的弹塑性分析,得到在出现应力集中的缺陷位置漏磁信号变化剧烈,即梯度突然变大.利用Q235A钢材为实例,测量了试件在不同应力状态下的漏磁信号,得出在弹性范围内漏磁信号随拉力增大而增大,实验结果与理论有较好的符合,该工作为深入探讨铁磁性材料的力磁关系奠定了一定的理论基础,为检测铁磁试件的潜在缺陷提供了实验依据.     

Influence of H2S Corrosion on Tensile Properties and Fracture Toughness of X80 Pipeline Steel

Strength of Materials - Tensile and fracture properties of X80 pipeline steel were studied in a mimic petrochemical environment. X80 pipeline steel specimens were firstly exposed to air or H2S...