自安裝井口平臺外輸海底管道疲勞拉伸磁記憶性能研究

谷 偉

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452）

0 引 言

近年來，隨著深海裝備的研發及海洋油氣產業的發展，多種形式的海底管線和立管投入使用。海洋立管的安全與否直接影響海上油氣生產與海洋生態環境，海洋立管長期服役于惡劣的海洋環境中，承受海風、波浪、海流等復雜自然環境載荷作用，其運行風險較大、破壞概率較高，嚴重情況下會造成海洋環境生態破壞和巨大的經濟損失。疲勞破壞和應力性損傷是海洋立管的主要損傷形式。針對海洋立管應力狀況的檢測是一種行之有效的檢測手段，可以通過檢測獲取海洋立管應力分布狀況，進而實現對海洋立管壽命預測［1-5］。目前金屬磁記憶檢測技術缺乏系統的基礎性研究支撐，受材料本身磁特性影響較大。開展多種應力載荷條件下典型的海洋立管材質試樣磁記憶效應規律及機理研究，將為金屬磁記憶檢測技術廣泛應用于海洋立管檢測奠定實驗基礎，并為利用磁記憶檢測技術實現海洋立管壽命預測提供評判依據［6-13］。

磁記憶檢測技術作為一種弱磁檢測技術用于實應力檢測時，需要磁記憶檢測傳感器本身具備較高的靈敏度、較寬的線性區間、較低的磁滯。同時，由于容易受到實驗室工頻設備的干擾，在磁敏感元件的選型及放大濾波電路的設計上要求具備較好的低通特性及較強的抗干擾能力。為實現對多種應力載荷條件下典型海洋立管材質在線磁記憶信號掃描檢測，需要獨立設計磁記憶信號掃描檢測配套構件，以方便將其安裝于試驗機側。此外，為保證試驗結果的準確性，對試驗的前置預處理也是本課題面臨的一個難點。課題計劃針對典型海洋立管材質試樣進行了大量的試驗研究，建立了不同應力載荷條件下磁記憶信號相關特征參量與應力參量的對應關系模型［14-17］。

1 試驗方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要試驗裝置

①MTS810 250高頻疲勞試驗機：MTS810 250疲勞試驗機如圖1所示，該裝置的主要性能參數如表1所示。

圖1 MTS810 250疲勞試驗機Fig.1 MTS810 250 fatigue tester

表1 疲勞試驗機主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of fatigue tester

②磁記憶檢測系統：磁記憶檢測系統主要包括磁記憶傳感器、電機、驅動器、控制器、電源、數據采集器和 PC。其中磁記憶傳感器在 NI 數據采集器的控制下對加載預定循環次數的試樣表面進行磁信號采集。磁記憶檢測系統組成如圖2所示，磁記憶檢測參數如表2所示。

圖2 磁記憶檢測系統Fig.2 Magnetic memory testing system

表2 磁記憶檢測參數Tab.2 Magnetic memory testing parameters

1.1.2 試驗材料

為研究海洋立管拉伸疲勞條件下的磁記憶信號變化規律，采用典型海洋立管材料X52、X70、X80鋼通過機械加工制備試樣。X52、X70、X80鋼作為常見的管道鋼，具有良好的機械性能。

1.2 試驗方法及步驟

拉伸疲勞試驗流程如圖3所示。利用手持式顯微鏡對試樣缺口寬度和深度進行觀測拍照，設定試驗參數開始試驗，當循環次數達到設定間隔△T1時，停機完成磁記憶信號采集，當裂紋萌生后，將疲勞間隔縮小為△T2，直至試樣發生斷裂。疲勞試驗后，利用高溫線切割機對試樣斷裂部位進行切割，對試樣進行清洗，烘干后對斷口進行電鏡掃描。整個疲勞試驗步驟流程如圖3所示。

圖3 拉伸疲勞試驗流程圖Fig.3 Flow chart of tensile fatigue test

1.3 試驗設置

對典型海洋立管材料 X80 鋼通過機械加工而成的帶預制缺陷試樣進行不同應力等級下的拉伸試驗，每組試驗重復2次，共3組。

2 結果與討論

2.1 疲勞過程裂紋擴展基本情況

對試樣裂紋擴展情況進行圖像監控拍攝。X80鋼試樣的疲勞斷裂過程如圖4所示。

圖4 X80-006 #試樣疲勞過程裂紋擴展情況Fig.4 X80-006 # sample fatigue process crack growth

在循環周次小于4 000時，試樣表面沒有裂紋萌生，4 000次后裂紋開始萌生，隨著循環周次的增加，裂紋開始緩慢增長，并隨著循環周次進一步增加。本試驗中裂紋的擴展規律符合疲勞試驗的一般規律。

2.2 疲勞過程中磁記憶檢測原始信號變化規律

對X80鋼試樣進行了不同應力工況下的疲勞拉伸試驗，首先對X80-006 #試樣進行了最大應力為550 MPa、應力比0.1工況下的拉伸試驗。磁記憶檢測結果如圖5所示（圖中1 Gs=10-4T，下文同）。

圖5 X80-006 #試樣不同循環周次后試樣表面磁記憶信號： （a）切向 （b）法向Fig.5 X80-006 # sample surface magnetic memory signal after different cycles：(a)tangent (b)normal

疲勞過程中，X80-006 #試樣磁記憶切向信號逐漸降低，且在預制缺口附近有極值；試樣磁記憶法向信號在缺口兩側有畸變，左側有畸變值遞增的趨勢，右側有畸變值遞減的趨勢。為驗證磁記憶檢測信號變化規律的重復性，使用相同材料的另一試樣（X80-010 #）開展了同工況下的重復實驗，X80-010 #試樣的磁記憶檢測結果如圖6所示。

圖6 X80-010 #試樣不同循環周次后試樣表面磁記憶信號： （a）切向 （b）法向Fig.6 X80-010 # sample surface magnetic memory signal after different cycles：(a)tangent (b)normal

對比圖5、圖6可以發現，在同一工況下，磁記憶檢測信號變化趨勢完全相同，試驗周次一致性為96.4%，重復性良好。可以基于此數據進一步深入分析X80鋼疲勞過程中的磁記憶信號變化規律。

2.3 疲勞過程中磁記憶檢測信號特征參數提取

為探究能夠反映海洋立管拉伸疲勞損傷過程的磁記憶檢測信號參數，在上節對磁記憶原始信號分析的基礎上對原始信號進一步處理分析。選取磁記憶檢測切向信號進一步分析來提取特征參數［22-29］。

首先為了消除背景磁場的影響，對磁記憶檢測切向信號進行了去背景處理，如圖7所示。

圖7 X80試樣去背景處理后的磁記憶切向信號： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.7 X80 sample magnetic memory tangential signal after background processing：(a)006 # sample (b)010 # sample

初始狀態下，疲勞產生的應力集中導致的磁場與初始漏磁場方向相反。當裂紋萌生前，預制缺陷處的磁記憶信號峰值已經降低到零附近，隨后開始反方向增加，且隨著疲勞周次的增加，信號峰值增加的速度也逐漸增加。與疲勞過程裂紋擴展的規律一致，提取去背景磁記憶信號極值作為特征參數［18-21］。

去背景磁記憶信號極值HE(x) 特征參數的提取算法如式（1）～（3）所示。

其中：H(x)單位為（1 Gs=10-4T，下同）Gs。

提取的特征參數HE(x) 隨疲勞周次的變化如圖8所示。

圖8 X80試樣特征參數HE (x)隨疲勞周次的變化： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.8 X80 sample characteristic parameter HE (x) change with fatigue cycle：(a)006 # sample (b)010 # sample

提取的特征參數HE(x) 在裂紋萌生時出現了過零點的現象，隨著疲勞周次增加，HE(x) 的增速也逐漸加大，與疲勞過程裂紋擴展的規律一致。

進行梯度處理，磁記憶信號變化如圖9所示。

圖9 X80試樣梯度處理后的磁記憶切向信號： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.9 X80 sample tangential magnetic memory signal after gradient treatment：(a)006# sample(b)010# sample

磁記憶梯度信號在預制缺陷附近出現了極大值和極小值，提取磁記憶信號去背景梯度信號極值連線斜率作為特征參數。具體提取方法如式（4）所示［30-32］。

式中：SK(x)為梯度信號極值連線斜率；K(x)max為梯度信號的極大值，GS；K(x)min為梯度信號的極小值，GS；lmax為梯度信號的極大值所在的橫坐標，mm；lmin為梯度信號極小值的橫坐標，mm。

提取的特征參數SK(x)隨疲勞周次的變化如圖10所示。

圖10 X80試樣特征參數SK (x)隨疲勞周次的變化： （a）006 #試樣 （b）010 #試樣Fig.10 X80 sample characteristic parameter SK (x) change with fatigue cycle: (a)006 # sample(b)010 # sample

X80-006 #試樣疲勞斷裂的過程裂紋在4 000次左右萌生，特征信號參數SK(x) 在4 000次附近過零點。這表明，提取的特征參數SK(x) 和HE(x) 能夠很好地反映試樣的疲勞破壞過程，可用于海洋立管疲勞損傷的監測。

2.4 不同載荷工況下的疲勞斷口形貌

試樣疲勞斷裂后使用掃描電鏡對疲勞斷口進行了分析。典型的疲勞拉伸斷口宏觀形貌如圖11所示，疲勞斷口的微觀形貌如圖12所示。

圖11 X80-006 #試樣疲勞斷裂斷口Fig.11 Macromorphology of fatigue fracture of X80-006 # sample

圖12 X80-006 #試樣疲勞斷裂斷口微觀形貌Fig.12 Macromorphology of fatigue fracture of X80-006 # sample

在裂紋擴展區存在較多二次微裂紋，同時可以明顯發現疲勞破壞典型特征之一的疲勞輝紋，而在斷口瞬斷區主要以剪切唇的形式存在［33-37］。

3 結 論

①疲勞拉伸過程中，海洋立管典型材質試樣經過大量循環后，試樣會在預制缺陷處萌生裂紋。在裂紋萌生后，隨著循環周次的增加，裂紋開始緩慢增長，隨著循環周次的進一步增加，相同循環周次后，裂紋擴展速率逐漸增大。斷裂前，裂紋快速擴展。

②疲勞拉伸過程中，海洋立管典型材質試樣磁記憶切向信號逐漸降低，且在預制缺口附近有極值；試樣磁記憶法向信號在缺口兩側有畸變，左側有畸變值遞增的趨勢，右側有畸變值遞減的趨勢；隨著循環周次的增加，切向信號下降速度及法向信號畸變速度都逐步升高；當試樣接近斷裂時，切向信號值極速下降，法向信號快速畸變。斷裂后，試樣切向磁場在斷口出現峰值，法向磁場改變方向。

③特征參數HE(x) 在裂紋萌生時出現了過零點的現象，且隨著疲勞周次的增加，HE(x) 增速也逐漸加大，與疲勞過程裂紋擴展的規律一致。

④特征參數SK(x) 在裂紋萌生時出現了過零點的現象，且隨著疲勞周次的增加，SK(x) 增速也逐漸加大，與疲勞過程裂紋擴展的規律一致。

⑤本文提取的特征參數SK(x) 和HE(x) 能夠很好地反映試樣的疲勞破壞過程，可用于海洋立管疲勞損傷的監測。