隔水管脈動沖擊疲勞損傷磁記憶檢測試驗研究*

倪金祿，樊建春，周 威，劉祥元，劉書杰，張紅生

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102249; 2.中海油研究總院，北京 100027; 3.中海石油(中國)有限公司，北京 100010)

0 引言

隨著陸上油氣資源的枯竭，油氣開采向深水進(jìn)軍已成為石油工業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。隔水管作為深水鉆井作業(yè)的基礎(chǔ)性裝備，起到提供鉆井液等液體循環(huán)通道，隔絕海水為鉆井作業(yè)提供安全可靠的作業(yè)環(huán)境。在作業(yè)過程中，隔水管受渦激振動、海流及鉆井平臺的升沉運動影響，易產(chǎn)生疲勞損傷[2]，進(jìn)而引發(fā)隔水管斷裂給鉆井生產(chǎn)造成重大損失。近年來，在墨西哥灣、北海、南海等地發(fā)生的一系列隔水管疲勞失效事故[3]，充分說明開展隔水管疲勞損傷早期診斷，防止隔水管疲勞失效事故發(fā)生具有重要意義。

目前，最為常用的隔水管檢測技術(shù)，如超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)與電磁渦流檢測技術(shù)均局限于近表面宏觀缺陷的檢測，無法檢測疲勞損傷早期的微裂紋及應(yīng)力集中，難以實現(xiàn)對隔水管早期疲勞損傷的診斷。磁記憶技術(shù)是1種可以實現(xiàn)對應(yīng)力集中和早期損傷檢測的無損探傷技術(shù)[4-8]。磁記憶技術(shù)檢測的是由應(yīng)力與地磁場共同誘導(dǎo)產(chǎn)生的殘余磁場，無需對檢測對象進(jìn)行磁化，在疲勞損傷早期診斷方面具有獨特優(yōu)勢[9]。

目前，相關(guān)學(xué)者對疲勞損傷過程中磁記憶信號變化特征進(jìn)行了大量研究。Dong等[10]通過拉伸疲勞試驗探究法向磁場信號增量與裂紋長度之間的定量關(guān)系；董世運等[11]通過拉伸疲勞試驗，對磁記憶法向信號與疲勞損傷程度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；Yang等[12]通過彎曲疲勞試驗研究，發(fā)現(xiàn)可以使用磁記憶檢測技術(shù)實現(xiàn)對鐵磁性材料疲勞損傷進(jìn)程的準(zhǔn)確表征；路勝卓[13]通過3點彎曲疲勞試驗，對不同疲勞損傷階段的法向磁記憶信號變化特征進(jìn)行了研究。

雖然相關(guān)學(xué)者對基于磁記憶技術(shù)的疲勞損傷診斷方法進(jìn)行了大量研究，但仍存在一些不足，主要表現(xiàn)為：1)缺乏疲勞損傷進(jìn)程中磁記憶信號變化原因的微觀解釋；2)缺乏對切向磁記憶信號的研究；3)缺乏脈動沖擊疲勞損傷磁記憶信號特征研究。

鑒于此，本文開展典型隔水管材料X80脈動沖擊疲勞損傷磁記憶檢測試驗研究，使用磁記憶傳感器采集試樣表面磁記憶切向信號(以下簡稱切向信號)，并提取特征參數(shù)，記錄試樣所受最大沖擊載荷，借助光學(xué)顯微鏡觀測試樣疲勞損傷過程表面形貌變化；對比分析疲勞損傷表面形貌變化、最大沖擊載荷變化與切向信號變化，研究基于磁記憶技術(shù)的隔水管疲勞損傷定量評估方法。

1 疲勞試驗

1.1 試驗裝置

1.1.1 疲勞試驗機(jī)

該試驗在自主研發(fā)的疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行。該試驗機(jī)可以實現(xiàn)脈動沖擊加載，且可以實時記錄沖擊載荷和加載次數(shù)，其工作原理為：帶輪在電機(jī)的驅(qū)動下帶動主軸旋轉(zhuǎn)，固定在主軸上的偏心輪通過推桿實現(xiàn)動平臺的上下往復(fù)運動，從而帶動安裝在動平臺上的沖擊塊完成對試樣的沖擊加載。試驗機(jī)原理如圖1所示。

圖1 脈動沖擊疲勞試驗機(jī)原理Fig.1 The schematic diagram of pulsating impact fatigue test machine

1.1.2 檢測系統(tǒng)

磁記憶信號檢測系統(tǒng)如圖2所示。該檢測系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)導(dǎo)軌、傳感器、控制箱(內(nèi)含控制器、驅(qū)動器、采集卡與無線路由)、支撐平臺、計算機(jī)組成，其中，傳感器固定在滑塊上，滑塊的運動速度和方向可通過控制器與驅(qū)動器控制，傳感器采集的切向信號通過采集卡與無線路由傳輸至計算機(jī)，計算機(jī)可以對采集得到的信號進(jìn)行顯示、儲存與分析。

圖2 檢測系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of detection system

1.2 試樣制備

疲勞試樣由X80通過線切割加工而成，在試樣單側(cè)中部預(yù)制寬2 mm、深3 mm的V形缺口，試樣尺寸及檢測路徑如圖3所示。X80具有良好的機(jī)械性能，屈服強(qiáng)度為650.7 MPa，屈強(qiáng)比為0.94，其化學(xué)組分見表1。

圖3 試樣尺寸結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.3 Sample size structure(Unit：mm)

1.3 試驗方案

為了便于借助光學(xué)顯微鏡觀測試樣表面形貌，試驗前需要對試樣進(jìn)行拋光處理。同時為了消除因拋光對試樣表面磁場的影響，對試樣進(jìn)行交流退磁處理。該試驗在地磁場環(huán)境下進(jìn)行，V形缺口朝下放置，沖擊頻率為1.5 Hz。在加載前，先借助光學(xué)顯微鏡觀測試樣表面形貌并拍照保存，然后采集試樣表面初始切向信號作為參考。加載過程中，每隔一定次數(shù)的沖擊加載后，暫停試驗機(jī)并取出試樣對其進(jìn)行檢測。先利用光學(xué)顯微鏡觀測試樣表面形貌并測量裂紋長度，然后通過檢測平臺采集試樣表面切向信號。采樣頻率為480 Hz，掃描速度為6 mm/s，提離值為2 mm，檢測方向為由西向東。

表1 X80鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of X80 steel

2 試驗結(jié)果

選用3個相同的試樣開展疲勞試驗，因3個試樣的最大沖擊載荷、表面形貌及切向信號隨加載次數(shù)的變化基本一致，所以本文選取其中1個為例進(jìn)行分析。為了研究試樣在疲勞損傷進(jìn)程中承載能力的變化，提取試樣承受的最大沖擊載荷并建立其與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，如圖4所示。疲勞試驗初始階段，循環(huán)次數(shù)為1到500次，試樣承受的最大沖擊載荷基本保持穩(wěn)定，這說明此階段試樣承載能力保持恒定。經(jīng)過500次加載后，試樣缺口尖部出現(xiàn)微裂紋，最大沖擊載荷緩慢下降，說明試樣在此階段喪失部分承載能力。經(jīng)過8 000次加載后，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋尖端張開，最大沖擊載荷快速下降，說明試樣在此階段承載能力快速喪失。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)下最大沖擊載荷變化Fig.4 The variation of max loading at different fatigue cycles

2.1 疲勞損傷表面形貌特征

不同循環(huán)次數(shù)下試樣表面形貌變化如圖5所示。通過觀察可以將疲勞損傷過程分為初始階段、裂紋萌生及穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。初始階段，隨加載次數(shù)的增加，在試樣缺口尖部產(chǎn)生塑性變形且快速增長。裂紋萌生及穩(wěn)定擴(kuò)展階段，加載至500次時，微裂紋萌生，加載至1 500次時，主裂紋產(chǎn)生，隨著加載次數(shù)的增加，主裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，加載至8 000次時，裂紋尖端張開且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。加載至14 200次時，試樣斷裂。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在缺口尖部會先出現(xiàn)小范圍塑性變形，然后產(chǎn)生疲勞裂紋且隨裂紋的擴(kuò)展，塑性變形區(qū)域和程度會隨之增長。

2.2 磁記憶信號特征

疲勞試驗開始前采集1組切向信號作為參考，之后分別在第1次和第500次停機(jī)檢測，第500至第2 000次每隔500次停機(jī)檢測，之后每隔1 000次停機(jī)檢測。為了清晰展示切向信號的變化特征，以顯微觀測結(jié)果為依據(jù)，以主裂紋尖端張開為界，將切向信號分2段呈現(xiàn)，如圖6和圖7所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，所有信號曲線在缺口處都存在1個波谷。經(jīng)加載后信號曲線快速下降，加載500次后，信號曲線進(jìn)入相對穩(wěn)定階段，裂紋尖端張開后，信號曲線再次快速下降。

為了研究基于磁記憶技術(shù)的疲勞損傷定量評估方法，提取切向信號波谷值絕對值、梯度曲線峰峰值絕對值并建立其與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，如圖8和圖9所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，切向信號特征參數(shù)變化可以實現(xiàn)對疲勞損傷進(jìn)程的準(zhǔn)確表征且可分為初始階段、穩(wěn)定階段和波動階段。初始階段，循環(huán)次數(shù)為0到500次，切向信號特征參數(shù)快速上升；穩(wěn)定階段，循環(huán)次數(shù)為500到7 000次，切向信號特征參數(shù)緩慢上升；波動階段，循環(huán)次數(shù)為7 000到14 000次，切向信號特征參數(shù)快速波動上升，在接近斷裂時呈下降趨勢。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下試樣表面形貌特征Fig.5 The surface morphology features of the specimen at different fatigue cycles

圖6 裂紋尖端張開前試樣表面切向信號Fig.6 The tangential signal of the specimen surface before crack tip opening

圖7 裂紋尖端張開后試樣表面切向信號Fig.7 The tangential signal of the specimen surface after crack tip opening

圖8 不同循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的切向信號波谷值絕對值Fig.8 The absolute valley value of tangential signal under different fatigue cycles

圖9 不同循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的切向信號梯度峰峰值絕對值Fig.9 The absolute peak-to-peak value of the gradient curve under different fatigue cycles

通過分析試樣所受最大沖擊載荷與表面形貌，在主裂紋張開后，試樣承載能力快速下降且裂紋擴(kuò)展速度明顯加快，說明試樣已經(jīng)失穩(wěn)。因此，應(yīng)該將研究重點放在主裂紋張開前，提取穩(wěn)定擴(kuò)展切向信號波谷值絕對值與梯度峰峰值絕對值并建立其與裂紋長度之間的關(guān)系，詳見圖10和圖11。通過觀察發(fā)現(xiàn)，切向信號波谷值絕對值和梯度峰峰值絕對值與裂紋長度均具有較好的線性關(guān)系。因此，可以通過切向信號特征參數(shù)表征穩(wěn)定擴(kuò)展階段裂紋長度和評價疲勞損傷的嚴(yán)重程度。

圖10 切向信號波谷值絕對值與裂紋長度關(guān)系擬合曲線Fig.10 Fitted curve of the relationship between the absolute valley value of tangential signal and crack length

圖11 切向信號梯度曲線峰峰值絕對值與裂紋長度關(guān)系擬合曲線Fig.11 Fitted curve of the relationship between the absolute peak-to-peak value of the gradient curve and crack length

3 討論及分析

如圖5、圖8和圖9所示，通過分析不同循環(huán)次數(shù)下試樣缺口附近表面形貌特征，結(jié)合相應(yīng)的切向信號變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，檢測信號切向分量的特征參數(shù)變化可以實現(xiàn)對疲勞損傷進(jìn)程的準(zhǔn)確表征，包括晶粒滑移與位錯的累積、裂紋的萌生及穩(wěn)定擴(kuò)展、快速擴(kuò)展。切向信號作為漏磁場的集中體現(xiàn)，其信號參數(shù)變化的3個階段可以通過能量最小原理、漏磁效應(yīng)及延性材料疲勞斷裂理論進(jìn)行解釋。經(jīng)加載后，試樣內(nèi)部應(yīng)力能大幅度上升，晶粒產(chǎn)生滑移位錯，在表面產(chǎn)生因塑性變形累積導(dǎo)致的褶皺[14]。根據(jù)能量最小原理，試樣內(nèi)部應(yīng)力能的增加會改變磁彈性能從而使總能量趨于最小[15]，磁彈性能會改變磁疇疇壁位置及磁疇自磁化方向使材料表面磁場改變，最終表現(xiàn)為經(jīng)加載后切向信號特征參數(shù)大幅度上升。在主裂紋張開前，裂紋尺寸較小，相對于應(yīng)力能增加導(dǎo)致試樣磁場強(qiáng)度的改變，因微裂紋產(chǎn)生的漏磁場可以忽略不計。因此，這一階段試樣表面磁場強(qiáng)度的改變主要取決于應(yīng)力能的變化。材料內(nèi)部晶粒的位錯累積會造成應(yīng)力能的增長，而晶粒滑移發(fā)生后應(yīng)力能又會得到釋放，在晶粒位錯積累及滑移的綜合作用下，材料內(nèi)部應(yīng)力會能緩慢增長。因此，在主裂紋張開前切向信號特征參數(shù)處于緩慢穩(wěn)定增長狀態(tài)。隨著裂紋長度增加，主裂紋張開，漏磁效應(yīng)增強(qiáng)，試樣表面磁場強(qiáng)度明顯上升，同時裂紋尖端一直處于位錯積累——新的微裂紋——位錯積累的循環(huán)過程中，內(nèi)部應(yīng)力能波動上升，在二者的綜合作用下切向信號特征參數(shù)呈快速波動上升趨勢。隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，試樣接近斷裂，應(yīng)力能得到極大程度的釋放，切向信號特征參數(shù)出現(xiàn)明顯下降。

4 結(jié)論

1)分析不同加載次數(shù)下試樣缺口附近疲勞損傷狀況的顯微觀測結(jié)果可知，檢測信號切向分量的特征參數(shù)變化可以實現(xiàn)對疲勞損傷進(jìn)程的準(zhǔn)確表征，同時，可實現(xiàn)對微裂紋萌生以及裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的檢測。

2)觀測疲勞損傷進(jìn)程中試樣表面形貌變化發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)載荷作用下缺口尖部會先出現(xiàn)小范圍塑性變形，然后產(chǎn)生疲勞裂紋且隨裂紋的擴(kuò)展，塑性變形區(qū)域和程度會隨之增長。

3)磁記憶技術(shù)可以實現(xiàn)隔水管疲勞損傷的早期診斷，且切向信號波谷值絕對值和梯度峰峰值絕對值均與裂紋長度具有很好的線性關(guān)系。該結(jié)論可為研究基于磁記憶技術(shù)的隔水管疲勞損傷早期診斷方法提供基礎(chǔ)。