X70鋼管道磁化及退磁特性試驗研究*

宋福霖 趙弘

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院)

0 引 言

據報道，2020年我國長輸油氣管網規模已達到16.9萬km，2025年我國管網規模將達到24.0萬km[1]。隨著油氣管道長度的增加，管道更換的次數也隨之增多，然而在管道檢測及管道修復時會因為管道中剩磁的存在產生一系列問題。例如在新舊管道對接過程中，由于管道中存在剩磁，會出現電弧難以引燃、電弧燃燒過程穩定性不強及電弧偏吹等現象，影響焊接效果，不僅沒有起到修補原有管道的作用，反而使原有管道的質量下降[2]。除此之外，管道剩磁還會影響管道檢測時的檢測精度，并且使管道內腐蝕速率加快，縮短管道壽命[3]。

當前，國內外解決剩磁的辦法主要是采取直流退磁法、交流退磁法及居里點熱退磁法。但基于油氣管道工況及長度限制，以上方法在實際操作中效果不盡如人意。G.S.SHELIKHOV[4]設計了一種永磁鐵退磁裝置，它可以實現油氣管道與退磁裝置之間的相對運動，為油氣管道退磁提供了一種較好的方法。中國石油大學(北京)分析了X52鋼及X80鋼的磁化特性和退磁特性，并得出這2種管線鋼的性能特點[5]。然而目前國內外尚未有關于X70鋼管道的退磁研究，X70鋼與X52鋼及X80鋼的含碳量、含合金元素量以及屈服強度和抗拉強度等材料特性均有所不同，國內外在X70鋼的退磁研究方面有所欠缺。為此，本文在X70鋼材料特性分析的基礎上，采用Maxwell軟件建立了X70 鋼磁化模型，分析了X70鋼管道的磁化特性，并基于響應面優化設計方法，研究了退磁率與磁感應強度和退磁速度的關系。所得結論可為X70鋼管道的磁化及退磁研究提供依據。

1 X70鋼材料特性及磁滯曲線

1.1 X70鋼材料特性

X70鋼是一種管線鋼，管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼。X70管線鋼可以分為鐵素體-珠光體鋼、少珠光體鋼、針狀鐵素體鋼和超低碳貝氏體鋼。其中：超低碳貝氏體鋼碳當量平均為0.293，冷裂敏感指數為0.112，是目前國內外使用次數最多、性能最好的X70鋼。X70鋼由C、Si、Mn、P、S及合金元素組成，多以低碳或超低碳針狀鐵素體組織為特征，不僅具有良好的焊接性能、良好的韌性和較高的強度，同時具備低包辛格效應和良好的抗HIC性能等。X70鋼可以極大程度地滿足工程質量并且在酸性環境中具有很好的抗HIC性能，可以避免腐蝕[6]。

1.2 X70鋼磁滯曲線

磁滯曲線是用來解釋鐵磁物質在磁化和退磁過程中磁感應強度與磁場強度關系的一條曲線。X70鋼磁滯曲線如圖1所示。在磁化開始時，磁感應強度隨著外加磁場強度的增加而增大，當外加磁場強度增加至某一值時，X70鋼的磁感應強度達到飽和狀態，此時減小外加磁場強度，X70鋼的磁感應強度并不按照原路返回，而是沿著另一條路徑減小；當外加磁場強度減小到0時，X70鋼的磁感應強度并不為0，而是存在一個剩余磁感應強度[7-8]。

圖1 X70鋼磁滯曲線

2 X70鋼磁化特性分析

2.1 磁化原理及原因

現代科學對磁化現象一般采用磁疇理論來解釋。鐵磁體材料中的鐵原子最外層有兩個電子，因電子自旋轉而產生相互作用，在這自發的磁化過程中，為降低靜磁能而產生分化的方向各異的小型磁化區域，稱之為磁疇。在外界沒有磁場的情況下，鐵磁體材料中的各個磁疇之間相互不規則排列，導致各磁疇的磁化方向各異，產生的磁效應也相互抵消，使得整個鐵磁體材料對外不顯示磁性。但將鐵磁體材料置于外磁場中時，鐵磁體材料中的自發磁化方向與外磁場方向小于90°的磁疇的體積隨著外加磁場的加大而加大，并進一步轉向外加磁場方向；而鐵磁體材料中的自發磁化方向與外磁場方向大于90°的磁疇體積則減小并接近外加磁場方向[9-11]，進而使鐵磁體內部大部分磁疇都與外加磁場方向相同，使鐵磁體具有了磁性。

油氣管道磁化的主要原因是：①管道內部介質在其內流動，造成摩擦以及管道清洗工具對管道摩擦使管道磁化；②管道在工作和運輸過程中周圍會有磁場；③管道焊接時會發生磁化現象；④定期檢測管道時檢測工具上帶有磁鐵會磁化管道[9]。

2.2 基于Maxwell軟件的X70鋼磁化模型建立

2.2.1 X70鋼板磁化特性靜態仿真分析

使用Maxwell軟件建立X70鋼板永磁鐵磁化激勵實體模型，該模型由X70鋼、永磁鐵及軛鐵組成，如圖2所示。其中：永磁鐵采用NdFe35，軛鐵采用steel_1010，充磁方向為垂直鋼板方向，網格劃分采取自適應網格劃分方法；模擬過程中迭代次數為20次，求解精度為0.1%。對此模型進行仿真分析，當永磁鐵磁場強度分別為10、20和30 kA/m時，X70鋼水平方向磁場靜態云圖如圖3所示。由圖3可以看出，X70鋼板經磁化后，在外加磁場的作用下，材料的磁疇結構發生變化，X70鋼板中間位置的磁疇相互抵消，剩磁較小，而在永磁鐵的正下方磁疇無法相互抵消，所以正下方的磁感應強度最大。仿真云圖呈現出在永磁鐵垂直投影處以圓波形式向外擴散，磁感應強度逐漸減弱。磁化后X70鋼板磁感應強度最大值分別為0.62、1.24和1.87 mT，均出現在磁鐵的正下方。磁感應強度最小值分別為0.21、0.42和0.63 mT，均出現在X70鋼板的中間位置。

圖2 X70鋼板永磁鐵磁化激勵實體模型

圖3 X70鋼板水平方向磁場靜態仿真云圖

當永磁鐵磁場強度分別為10、20和30 kA/m時，X70鋼豎直方向磁場靜態云圖如圖4所示。由圖4可以看出：X70鋼板經磁化后，在外加磁場的作用下，材料的磁疇結構發生變化，在永磁鐵正下方，X70鋼板表面的磁感應強度最高；當永磁鐵磁場強度分別為10、20和30 kA/m時， X70鋼板上磁感應強度最大值分別為0.62、1.24和1.87 mT。

圖4 X70鋼板豎直方向磁場靜態仿真云圖

仿真云圖依舊呈現出在永磁鐵垂直投影處以圓波形式向外擴散，磁感應強度逐漸減弱。

將X70鋼板在永磁鐵磁場強度為30 kA/m時的水平磁場靜態仿真云圖數據導出，分析X70鋼板上如圖5所示的①、②、③3條實線上的磁感應強度變化曲線。其中：實線①處于X70鋼板處；實線②處于X70鋼板處；實線③處于X70鋼板處。對導出數據進行處理，繪制X70鋼板在實線①、②、③上的磁感應強度變化曲線，結果如圖6所示。磁感應強度變化曲線呈現雙波峰式特點，3條曲線磁感應強度的極大值分別為1.87、1.53和1.08 mT，3條曲線磁感應強度的極大值處于X70鋼板的④、⑥2條虛線上；3條曲線磁感應強度的極小值分別為0.54、0.48和0.43 mT，3條曲線磁感應強度的極小值處于X70鋼板的虛線⑤上。磁感應強度變化曲線趨勢為先增后減再增再減，對應于X70鋼板磁場靜態仿真云圖，X70鋼板中間位置的磁疇相互抵消，剩磁較小，而在永磁鐵的正下方磁疇無法相互抵消，正下方磁感應強度最大。

圖5 X70鋼板磁場靜態仿真數據提取位置圖

圖6 磁感應強度變化曲線

2.2.2 X70鋼管道磁化特性靜態仿真分析

使用Maxwell軟件建立X70鋼管道永磁鐵磁化激勵實體模型，該模型由X70鋼管道、永磁鐵及軛鐵組成，如圖7所示。其中：永磁鐵采用NdFe35，軛鐵采用steel_1010，充磁方向為垂直管道橫截面方向;網格劃分采取自適應網格劃分方法，模擬過程中迭代次數為10次，求解精度為0.1%。對此模型進行仿真分析，當永磁鐵磁場強度分別為10、20和30 kA/m時，X70鋼管道二維磁場靜態仿真云圖如圖8所示。

圖7 X70鋼管道永磁鐵磁化激勵實體模型

圖8 X70鋼管道二維磁場靜態仿真云圖

由圖8可知：X70鋼管道經磁化后，在外加磁場的作用下，管道內磁感應強度分布與X70鋼板的分布一致，仍為中間的剩磁較小，永磁鐵的正下方磁感應強度最大且在永磁鐵正下方處以圓波形式向外擴散，磁感應強度逐漸減弱；當永磁鐵的磁場強度為10 kA/m時，X70鋼管道上的最大磁感應強度為0.54 mT；當永磁鐵的磁場強度為20 kA/m時，X70鋼管道上的最大磁感應強度為1.20 mT；當永磁鐵的磁場強度為30 kA/m時，X70鋼管道上的最大磁感應強度為1.84 mT。

僅改變X70鋼管道永磁鐵磁化激勵實體模型中永磁鐵與X70鋼管道接觸面面積時，X70鋼管道磁感應強度產生明顯變化，如圖9所示。

圖9 X70鋼管道三維磁場靜態仿真云圖

圖9a中永磁鐵規格為60 mm×20 mm×10 mm，此時磁感應強度最大值為1.84 mT，磁感應強度最小值為0.54 mT。圖9b中永磁鐵規格為60 mm×30 mm×10 mm，此時磁感應強度最大值為2.28 mT，磁感應強度最小值為0.61 mT。永磁鐵與X70鋼管道接觸面面積從1 200 mm2變到1 800 mm2時，磁感應強度最大值從1.84 mT變化至2.28 mT，變化幅度較大，磁感應強度最小值從0.54 mT變化至0.61 mT，變化幅度較小。由此可知，當改變永磁鐵與管道接觸面面積時，磁感應強度會產生變化，此變化為正比例變化且數值越大變化幅度越大。

3 X70鋼退磁試驗及分析

3.1 退磁方法及原理

永磁鐵退磁裝置中每兩個相鄰的磁鐵環磁性相反，如圖10所示。圖10中，箭頭代表載體運行方向。第1次施加磁場后，管道中的磁感應強度B發生改變，此時的管道剩磁場強度記為B1。一段時間之后，施加反向磁場到該位置，此時剩磁場強度減小為B2。然后再次施加磁場，管道中的剩磁場強度減小，接近于0。通過該裝置與鐵磁材料之間的相對移動來逐步消除物質中的磁性。永磁鐵退磁裝置效率高、操作簡便，是未來有效的退磁方式之一。永磁鐵退磁法退磁原理如圖11所示。

1—第1環磁鐵；2—第2環磁鐵；3—第3環磁鐵；4—管道；5—載體。

圖11 永磁鐵退磁原理圖

3.2 退磁試驗系統設計

3.2.1 試驗整體結構

本次試驗對象為X70鋼板，基于永磁鐵退磁法可將G.S.SHELIKHOV[4]設計的磁鐵環退磁結構簡化。X70鋼退磁試驗裝置示意圖如圖12所示，主要包括計算機控制界面、X70鋼、檢測/退磁裝置、速度控制裝置及導軌。計算機控制界面主要實現數據的顯示與存儲；檢測裝置中包含霍耳元件，可以將磁場變化轉為電信號，導軌主要為檢測裝置行走提供支撐。

圖12 X70鋼退磁試驗裝置示意圖

3.2.2 退磁機構模塊

退磁機構主要包括永磁鐵和塑料板，將永磁鐵固定在塑料板上形成退磁結構。

3.2.3 檢測機構模塊

檢測機構主要包括2個部分：磁場測量機構和STM32單片機。測量機構中包含4個通道，分別對應4個霍爾元件，霍爾元件經過X70鋼板采集數據。霍爾元件具有結構牢固、安裝方便、功耗小及頻率高等優點[12]。STM32單片機中配備數據采集卡，為檢測機構提供霍爾元件采集的數據。

3.3 退磁試驗過程及結果分析

選取尺寸為245 mm×95 mm×28 mm的X70鋼作為試驗試樣，將X70鋼置于磁化裝置中磁化，待X70鋼完全磁化后，取出置于X70鋼磁化/退磁特征驗證試驗臺，采用檢測機構模塊對X70鋼進行退磁前磁感應強度檢測，檢測6次，取平均值為B3。X70鋼退磁前磁感應強度檢測完成后，采用退磁機構模塊對X70鋼進行退磁處理，退磁后仍采用檢測機構模塊對X70鋼進行退磁后磁感應強度檢測，檢測6次，取平均值為B4，退磁率η的計算公式如式(1)所示。改變退磁機構的磁感應強度和退磁裝置的退磁速度，磁感應強度從25 mT增至70 mT；退磁裝置的退磁速度從0.1 m/s增至0.6 m/s。總計36組試驗，試驗結果如表1所示。

η=(B3-B4)/B3

(1)

由表1可知：當退磁速度為0.1 m/s、磁感應強度為25 mT時，退磁率最低為18.39%；隨著退磁速度和磁感應強度的增加，當退磁速度為0.6 m/s、磁感應強度為60 mT時，退磁率最高為67.60%。由表1數據可得：當退磁速度為0.4～0.6 m/s、磁感應強度為60～70 mT時，退磁率可達60%以上，達到了較好的退磁效果。

表1 退磁率與退磁速度及磁感應強度的關系

3.4 響應面法優化設計

為確保試驗結果真實有效，本文采取響應面分析法對試驗進行優化設計。響應面法是通過一系列的試驗得到一定的數據，再根據試驗數據的分布情況來選取合適的試驗點和恰當的函數，進而來擬合變量與響應值之間的關系，最后對回歸方程以及所得圖像進行分析來尋求最優工藝參數，以解決多變量問題[13]。

設退磁率為η、磁感應強度B和退磁速度v為變量，取磁感應強度B從0～70 mT變化，取退磁速度v從0～0.6 m/s變化為約束條件，建立目標函數，如式(2)所示。

(2)

通過中心試驗設計法進行設計，記錄試驗結果，如表2所示。

表2 中心試驗設計及結果

通過響應面法得出退磁率η與磁感應強度B和退磁速度v之間的數學關系，如式(3)所示，它們之間的三維關系云圖如圖13所示[14]。

η=-42.24+30.66v+2.86B-0.26vB+2.19v2-0.02B2

(3)

由圖13可以看出：退磁裝置的退磁率與磁感應強度和退磁速度成正比關系，即磁感應強度和退磁速度增加會使退磁裝置的退磁率增加；磁感應強度對退磁率的影響要遠大于退磁速度對退磁率的影響。當處于圖13中藍色和綠色區域時，即退磁速度為0.1～0.2 m/s、磁感應強度為25～45 mT時，退磁率較低，退磁效果有欠缺；當處于圖13中紅色區域時，退磁率較佳，即當退磁速度為0.5～0.6 m/s、磁感應強度為60～70 mT時，可達到較好的退磁效果，此結果與試驗結果相近。

圖13 退磁率、磁感應強度及退磁速度三維關系圖

檢驗此響應面法優化模型的學生化殘差分析正態概率分布圖及預測值與實際值對比圖，分別如圖14和圖15所示。由圖14和圖15可知，擬合結果與實際結果偏差較小，可相互印證[15]。

圖14 學生化殘差分析正態概率分布圖

圖15 預測值與實際值對比圖

綜上所述，當退磁裝置的退磁速度為0.6 m/s、永磁鐵的磁感應強度為60 mT時，退磁效果最佳，退磁率可達67.60%

4 結 論

(1)由Maxwell軟件建立的模型仿真可知，X70鋼進行靜態仿真時，其磁感應強度在永磁鐵垂直投影處最強，在垂直投影處以圓波的形式向外擴散，磁感應強度逐漸削弱。沿X70鋼長邊做磁感應強度變化進行趨勢分析，發現曲線呈現雙波峰式變化，對應于X70鋼磁場靜態仿真云圖，X70鋼中間位置的磁疇相互抵消，剩磁較小，而在永磁鐵的正下方磁疇無法相互抵消，所以磁鐵正下方的磁感應強度最大。

(2)利用響應面法建立了X70鋼退磁優化模型，結果發現永磁鐵退磁裝置的退磁率與永磁鐵磁感應強度和退磁裝置的退磁速度有關，且永磁鐵磁感應強度的影響要遠大于退磁裝置退磁速度的影響。

(3)通過響應面法優化設計了X70鋼退磁因素，當退磁裝置與X70鋼之間的相對運動速度為0.6 m/s、永磁鐵的磁感應強度為60 mT時，退磁效果最佳，退磁率可達67.60%。