基于多磁參數法的鐵磁性材料管道疲勞檢測應用

竺國榮 嚴瑞霖 王 杜 錢盛杰 董 洋 譚繼東

（寧波市特種設備檢驗研究院）

工程應用上急需對鐵磁性材料的疲勞狀態全生命周期進行無損檢測和評估［1～3］，特別是針對疲勞裂紋形成前和形成初期的檢測技術，采用多磁參數法開展理論研究和技術研發，解決工程問題。 目前對于疲勞過程中的磁巴克豪森噪聲（MBN） 信號變化的研究主要集中在位錯密度的增加、滑移帶的形成及裂紋的萌生等微觀結構的變化，以及缺陷數目、疇壁與MBN峰值電壓的相互作用等方面［4～6］。

鐵磁性材料在循環載荷的作用下，MBN信號變化顯著，為了探究循環載荷和單向載荷對MBN信號影響的區別，2004年英國的MOORTHY V研究了En36鋼在超限應力（最大達1 700 MPa）循環作用下的MBN信號特性， 指出與單向載荷相比，高應力下的循環載荷會增加材料的位錯密度，會使MBN信號峰值減小，加速材料疲勞。 利用MBN信號與循環周次的關系，可以對鐵磁性材料的疲勞損傷進行無損檢測。

近年來，在疲勞研究方面用多磁參數幅值驗算取得新發展，用于壓力管道檢驗，可快速評估管道疲勞強度，為管道運行提供保障［7］。基于多磁參數原理研制的一種鐵磁性材料疲勞檢測儀，具有快速、便捷進行在役設備關鍵部位掃描檢測的優點，且檢測靈敏度和準確度高。 采用多磁參數法對壓力管道進行測量，依據不同疲勞強度下多磁參數特征值的變化，分析疲勞強度與多磁參數間的規律，實現了相對疲勞失效的預警。

1 檢測目標

疲勞破壞最易發生的部位：一是在結構的幾何不連續處即壓力管道的應力集中的部位；二是存在裂紋類原始缺陷的焊縫部位，即使在交變的膜應力下也會發生疲勞裂紋的擴展而破壞。 如果兩種情況同時存在于一處，就很容易發生疲勞破壞。

筆者分別在實驗室和工程現場條件下開展管道疲勞檢測，在進行壓力管道檢驗的過程中選取的位置要符合上述情況。 檢測的管道材料為20G，分別在實驗室和工程現場進行檢測。 其中，實驗室測試2根壓力管道試塊， 測試次數不少于每根10次。 現場測試不少于2根現場疲勞工況壓力管道，測試次數不少于每根8次。 測試結束后進行數據分析評估，數據分析評估不少于50組。

2 檢測方法

2.1 檢測儀器選取

采用多磁參數檢測法完成對管道疲勞應力的檢測，多磁參數檢測儀主要由主機和探頭兩部分組成（圖1）。

圖1 多磁參數檢測儀

2.2 測試方案

2.2.1 實驗室測試

實驗室測試即壓力管道試塊測試。 對2根壓力管道（DN159 mm、DN108 mm），每根壓力管道在彎頭兩側、焊縫邊至少選取8個位置，做4個方向的測試。 對壓力管道（DN159 mm）疲勞循環0、1 000、3 000、6 000、10 000次后在同一位置進行數據采集分析。

2.2.2 現場測試

現場測試即吸附器連接管道在役檢測。 管道的工作壓力0.65 MPa， 工作溫度常溫， 材料為20G，規格DN200 mm×8.18 mm，循環的時間是100 s，分別在吸和呼的過程中檢測兩次，由于管線中間有閥門和法蘭連接會產生不連續，因此選擇在進出第1個口彎頭兩側附近測試不少于6個位置、 在遠離容器的直管部位測試不少于2個位置，畫好單線圖做好位置記錄，且做好工況記錄（如，電磁干擾等）。

檢測實施過程中， 每隔500 mm做4個方向的測試，每條管線最少測量8個位置，如有彎頭或其他管件，在焊縫附近母材區域檢測，管件上不需要檢測。 由于管道外部有油漆層，為了避免檢測時提離不同，測量前測量區域需要打磨，打磨尺寸至少為60 mm×60 mm。

3 數據分析

將實驗室獲得的數據用于模型制作，分析數據時各多磁參數特征值作為自變量，疲勞壽命作為因變量。 將實驗室測得的管道不同位置、不同方向的數據作橫向對比，將這些數據制作多元線性回歸模型，多元線性回歸方程是對多個自變量和因變量間關系進行建模的一種回歸分析，其數學模型如下：

其中，x和C表示自變量，β表示權重，y表示因變量。 線性回歸模型參數見表1。 其中，權重β數值由實驗室測得， 多磁參數x數值由實際測試得到。

表1 多元線性回歸參數

通過使用上述線性回歸方程， 將權重β數值和多磁參數x數值代入式（1），對現場測試數據進行回歸分析，得到因變量y，將得出的結果列于表2。

表2 現場測試線性回歸后數據

（續表2）

現場共對2根壓力管道進行測試， 對每根管道選擇8個位置，分4個角度進行測量，共96組數據。將疲勞壽命達到8 000次及以上的位置定義為危險位置。 結果中共有3組數據為危險，其中一組出現于VN-13A-3-1位置， 另外兩組集中于VN-13B-1-1位置，通過現場實物圖（圖2）對比，發現出現疲勞預警位置均處于管道彎曲處，即結構的幾何不連續處，需要對這些點位進行重視并處理。

圖2 危險位置標注

4 結束語

針對鐵磁性材料的疲勞損傷問題，提出采用多磁參數檢測法進行檢測。 首先在建立多元線性回歸模型的基礎上在實驗室環境下進行標定，獲得權重β值；接著，在工程現場進行測試，得到多磁參數x的值；最后，將上述數據代入回歸模型，對數據進行回歸分析， 確定壓力管道的3處位置存在疲勞損傷情況。 說明多磁參數檢測方法能有效判斷鐵磁材料的疲勞損傷， 測量結果準確高效，可在壓力管道檢測中進行大規模推廣使用。