油氣儲罐罐壁焊縫靜載拉伸檢測試驗研究*

孫 京，樊建春，何守杰，穆大鵬

(中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院，北京 102249)

0 引言

石油天然氣儲罐是國家能源戰略儲備庫儲存石油天然氣的主要設備[1]，其工作環境復雜多樣，經常受到較大的沖力荷載、溫度變化以及腐蝕等因素影響；而且，相對于罐體其他部分，罐壁焊縫處往往是設備中最薄弱的部分，若存在氣孔、裂紋等焊接缺陷，極易導致儲罐壁產生凹陷、裂縫或穿孔[2]，一旦引起罐體內部介質泄漏，極易引起火災和爆炸，造成嚴重的環境污染與巨大的經濟損失[3]。因此，定期對油氣儲罐罐壁及焊縫處的損傷狀況進行檢測，并建立全面的儲罐安全評價體系是十分重要的。

常規的儲罐罐壁在線檢測普遍采用聲發射檢測方法[4-5]，開罐檢測采用漏磁檢測方法[6-7]，這2種檢測方法檢測前需要打磨、充磁、激勵等外界條件的協助，不僅檢測工藝復雜，檢測周期長，且應由專業的檢測機構進行檢測，而磁記憶檢測技術無需對檢測表面有特殊處理[8-10]，不僅能夠檢測鐵磁性材料的宏觀缺陷，更能通過檢測其應力集中程度實現對早期缺陷的識別及檢測[11-12]。

目前，已有相關學者研究不同載荷條件下，鐵磁材料的磁記憶信號的變化規律。邢海燕等[13]設計預置裂紋下的三點彎曲試驗，探究彎曲疲勞下裂紋擴展過程中磁記憶信號變化情況，結果顯示在裂紋擴展臨界狀態磁記憶信號劇烈增加；董麗紅等[14]對中碳鋼試樣各點進行拉伸過程的磁記憶檢測，研究外載荷對磁記憶信號的影響，結果表明在彈性階段隨著載荷增加試件表面各點的磁信號值從無序逐漸向有序狀態轉變，進入塑性階段后磁信號幾乎不再隨載荷而變化；孫燕華等[15]使用磁記憶測試儀對15塊材質為20鋼的焊接試塊表面磁場進行掃描測試，發現存在氣孔、未焊透等缺陷時磁場強度曲線會出現過零點，存在裂紋或未熔合等缺陷時磁場強度曲線出現峰值，可利用該特征對在役特種設備焊縫進行無損檢測。

但是，在以下3個方面還需要進一步探索：1)有關儲罐罐壁材料的焊縫試樣在靜載拉伸過程中的磁記憶信號變化規律試驗研究較少；2)儲罐焊縫在靜載拉伸過程中磁記憶信號與裂紋及載荷之間的變化規律研究相對缺乏；3)儲罐焊縫在靜載拉伸過程中磁記憶檢測信號特征參數缺乏研究。針對以上問題，本文開展油氣儲罐罐體材料焊縫區域在靜載拉伸條件下的磁記憶信號特征分析的試驗研究。通過采集與分析含不同缺陷試樣的磁記憶信號，得到焊縫缺陷處磁記憶信號與拉伸載荷之間的對應關系，同時提取信號的特征參數并建立其與裂紋深度之間的關系，并使用ANSYS軟件進行二維磁場分析對結果進行驗證。

1 靜載拉伸試驗

1.1 試樣制備

根據儲罐罐壁的焊接工藝進行焊縫靜載拉伸磁記憶檢測試驗試樣的焊制。試樣材料采用儲罐罐壁常用材料Q235鋼，根據自制拉伸試驗系統的要求加工成板狀試樣，試樣的長度為190 mm，寬度為60 mm，預制的長40.5 mm、寬8 mm的焊縫位于試樣中央。焊縫試樣有無缺陷、裂紋、圓孔3種類型，預制裂紋的焊縫試樣如圖1(a)所示，試樣中心部位的裂紋缺陷由線切割機進行切割而成；預制圓孔缺陷的焊縫試樣如圖1(b)所示，圓孔缺陷(模擬氣孔)由鉆床加工而成，焊縫余高打磨至零。磁記憶檢測路徑位于試樣寬度方向中央并垂直于焊縫，磁記憶探頭的提離值是1 mm。焊縫試樣缺陷的具體尺寸見表1。

表1 焊縫試樣缺陷尺寸Table 1 Defect dimensions of weld seam samples

圖1 焊縫試樣Fig.1 Weld seam samples

1.2 試驗裝置與步驟

液壓拉伸裝置如圖2所示。該拉伸試驗系統的具體參數見表2。具體的試驗步驟為：試驗開始前需對全部焊縫試樣進行退磁處理，隨后調試該液壓拉伸試驗裝置；試驗開始后，逐步增加焊縫試樣所承受的載荷；每次對焊縫試樣加載到預期載荷后，保壓并采集與保存焊縫試樣表面的磁記憶信號。完成所述步驟后，將焊縫試樣載荷增加5.6 kN，重復進行上述步驟，當焊縫試樣所加載荷達到最大預期載荷后，對焊縫試樣進行卸載，更換試樣進行試驗。

表2 拉伸試驗系統具體參數Table 2 Specific parameters of tensile testing system

圖2 液壓拉伸裝置Fig.2 Hydraulic tensile device

2 試驗結果與分析

2.1 無缺陷焊縫試樣信號分析處理

對無缺陷焊縫試樣磁記憶信號進行均值降噪處理后，提取該信號的梯度值，其結果如圖3所示。

圖3 無缺陷焊縫試樣磁記憶信號曲線與梯度曲線Fig.3 Magnetic memory signal curve and gradient curve of weld seam sample without defect

由圖3(a)可知，磁記憶信號在母材區與焊縫熱影響區之間的變化平穩，但在經過焊縫熱影響區和熔合處時，信號值迅速增加，并出現峰值6.90 V，信號變化幅度為2.69×10-2V，且焊縫區的磁記憶信號值整體比母材區高。由圖3(b)可知，信號梯度值在母材區和焊縫區圍繞零值平穩波動，在熱影響區和熔合處發生較大波動，并出現波峰與波谷，其分別為1.50×10-5，-1.58×10-5V/mm。磁記憶信號梯度值在焊縫熱影響區與熔合處發生較大波動的原因為：在該區域存在由于晶粒變化和熱脹冷縮、受熱不均勻而導致的應力集中現象，這表明磁記憶信號梯度值具有表征應力集中程度的能力。

2.2 不同深度的裂紋缺陷信號分析處理

對寬度為0.4 mm，深度分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5 mm的裂紋缺陷的試樣的磁記憶信號進行均值降噪處理，磁記憶信號曲線如圖4所示。

圖4 含裂紋缺陷的焊縫試樣磁記憶信號曲線Fig.4 Magnetic memory signal curves of weld seam sample with crack defect

由圖4可知，各焊縫試樣表面的磁記憶信號曲線變化趨勢基本相同，在熱影響和熔合區以及缺陷處都發生突變，但突變程度存在差異。當裂紋深度小于0.5 mm時，裂紋缺陷處的磁記憶信號變化幅度較小，甚至小于焊縫熱影響區和熔合處的磁記憶信號變化幅度；當裂紋深度大于0.5 mm時，裂紋缺陷處的磁記憶信號變化幅度較大，且明顯大于焊縫兩側的熱影響區及熔合處的變化幅度。

為實現對焊縫裂紋缺陷的定量分析，通過提取各深度裂紋缺陷磁記憶信號梯度峰峰值來表征焊縫裂紋的缺陷深度，裂紋深度與梯度峰峰值擬合關系如圖5所示。其擬合方程式如式(1)所示：

圖5 裂紋深度與梯度峰峰值擬合曲線Fig.5 Fitting curve between crack depth and peak-to-peak value of gradient

KPP=0.018 98x-0.013

(1)

式中：KPP為磁記憶信號梯度峰峰值，V/mm；x為裂紋深度，mm。

隨著裂紋深度增加，磁記憶信號梯度峰峰值呈線性增加。線性擬合R2擬合值為0.940 03，擬合效果良好，說明磁記憶信號梯度峰峰值在表征裂紋缺陷的深度尺寸方面效果良好。在試驗條件下焊縫裂紋長度與磁記憶信號梯度峰峰值呈線性關系，其擬合方程式如式(2)所示：

KPP=Ax+B

(2)

式中：A，B為系數。

2.3 不同載荷下焊縫缺陷信號分析處理

以裂紋試樣(深2 mm，寬1.2 mm)為例，對不同深度、寬度的焊縫裂紋試樣以及不同直徑的焊縫圓孔缺陷試樣進行靜載拉伸試驗，不同載荷下缺陷試樣的磁記憶信號變化規律如圖6所示。

由圖6可知，隨著拉伸載荷的逐漸加大，磁記憶信號曲線在焊縫缺陷、熔合處和熱影響區處發生突變，母材區的磁記憶信號變化平穩。隨著載荷加大，焊縫試樣磁記憶信號曲線整體向上平移，即載荷越大，磁記憶信號值越大。這是由于：當對試樣施加載荷時，晶體不僅具有因自發形變而形成的磁彈性能，而且還存在因外加載荷作用下而引起的磁應力能。對于本試驗中所使用的Q235焊縫試樣來說，試樣中的自磁化方向平行于外加載荷的方向，外加載荷對試樣磁化起到了促進的作用。

圖6 不同載荷下含缺陷試樣的磁記憶信號曲線Fig.6 Magnetic memory signal curves of samples with defect under different loads

為進一步分析外加載荷對焊縫缺陷處磁記憶信號的影響，對不同拉伸載荷下各尺寸缺陷的信號進行均值降噪處理，同時提取不同拉伸載荷下的各尺寸缺陷處的信號峰值，并繪制磁記憶信號峰值與不同拉伸載荷之間的關系圖。不同載荷與信號峰值關系如圖7所示。

圖7 不同載荷與信號峰值關系Fig.7 Relationship between different loads and peak signal

由圖7可知，不同深度、不同寬度的焊縫裂紋試樣以及不同直徑的焊縫圓孔試樣在缺陷處的峰值，在不同載荷下的值各不相同。拉伸載荷越大，峰值越大，且峰值與載荷之間呈一定的線性關系。通過對比含不同缺陷類型和尺寸的焊縫試樣的磁記憶信號，不同的焊縫缺陷處信號的峰值增長速度不同。

3 有限元仿真及分析

3.1 仿真建模

為得到不同裂紋深度試樣的磁場分布，使用ANSYS有限元分析軟件對不同裂紋長度的有限元模型進行仿真。為提高焊縫試樣缺陷所形成的漏磁場的檢出率，需含有缺陷的被測鐵磁性材料得到充分磁化，而且要讓磁力線在鐵磁性材料內的分布比較均勻且構成閉合回路。完整的磁化回路包括永磁體、銜鐵、極靴和鐵磁性材料。其有限元模型如圖8所示。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

空氣部分的相對磁導率設置為1.0，銜鐵和極靴2部分導磁材料根據其屬性進行設置，若為線性則設置MURX，若為非線性就需要通過添加多個點進行B-H曲線設置，該2部分的作用是將各部分的磁路相互連接與導通，這2部分為導磁較好的材料。銜鐵和極靴的MURX設置為186 000，鐵磁材料為非線性，其B-H曲線如圖9所示。

圖9 鐵磁材料的B-H曲線Fig.9 B-H curve of ferromagnetic material

由于網格劃分直接影響計算結果，為保證結果的準確性盡量減小計算量，可對網格劃分進行適當的調控。對于磁場強度變化相對平緩的部位，可適當將網格密度劃分稀疏，而對于焊縫缺陷等重點位置，可以將該位置的網格劃分密集。本文采用智能網格劃分方法，并使用PLANE13單元進行單元細化，K2設置為Axisymmetric。具體網格劃分結果如圖10所示。

圖10 網格劃分結果Fig.10 Results of grid generation

3.2 結果分析

1) 缺陷處磁場強度分析

對長度2 mm，深度2，3，4，5 mm的缺陷進行磁場分析，磁場強度分析結果如圖11所示。

圖11 不同深度缺陷磁場強度分析Fig.11 Analysis of magnetic field strength for defects with different depths

當鐵磁性材料存在缺陷時，缺陷處磁場強度相對于其他位置顯著增加。缺陷深度分別為2，3，4，5 mm時缺陷處平均磁場強度分別為1.8×10-1，2.7×10-1，3.1×10-1，4.0×10-1T。隨著缺陷深度的增加，缺陷處的平均磁場強度亦增加。不同深度的磁場強度曲線如圖12所示。

圖12 不同深度磁場強度曲線Fig.12 Curves of magnetic field intensity under different depths

隨著深度的增加磁場強度整體逐漸增加，缺陷深度與平均磁場強度之間的關系如圖13所示。

圖13 缺陷深度與平均磁場強度關系Fig.13 Relationship between defect depth and average magnetic field strength

2)缺陷處切向、法向磁場強度分析

通過提取長度2 mm，深度2，3，4，5 mm缺陷處法向與切向磁場強度進行對比，具體對比結果如圖14所示。

圖14 不同深度切向與法向磁場強度對比Fig.14 Comparison of tangential and normal magnetic field strength under different depths

由圖14可知，缺陷處法向磁場強度隨著缺陷深度的增加，其磁場強度變化幅度增加，法向磁場強度關于零點中心對稱，法向磁場強度波峰與波谷分別出現在缺陷2個端部位置，缺陷處法向磁場強度值接近零值。切向磁場強度隨著缺陷深度的增加而增加；缺陷處切向磁場強度峰值隨著深度增加而變大，峰值位置位于缺陷中心，且缺陷處磁場強度的變化速率隨著深度的增加而加快。切向磁場強度曲線與總磁場強度曲線相似。

4 結論

1)對不同缺陷的焊縫試樣進行靜載拉伸試驗，對焊縫試樣表面進行磁記憶信號檢測，通過分析不同拉伸載荷作用下磁記憶信號與梯度值的變化趨勢，發現信號與梯度在焊縫缺陷處會產生突變，對早期損傷非常敏感。

2)通過分析含缺陷試樣的磁記憶信號特征值，并使用有限元仿真軟件進行二維磁場分析驗證，仿真及試驗結果表明，所提取的磁記憶信號梯度峰峰值及平均磁場強度均隨裂紋深度的增加而線性增加，可真實反映磁記憶信號隨裂紋深度擴展時的波動變化趨勢，能夠很好地表征焊接裂紋的缺陷深度。

3)焊縫區域表面的切向與法向磁場信號均隨拉伸載荷的增加而增加，峰值與載荷之間呈一定的線性關系。