油氣管道非飽和磁化應力檢測技術研究

基金項目：國家“十四五”重點研發計劃“超大口徑天然氣管道磁電融合內檢測技術研究及裝備研制”（2022YFC3070102）；國家市場監督管理總局科技創新人才計劃創新領軍人才項目“面向復雜應用場景的油氣管道高端智能檢測技術及裝備”（KJLJ202320）;中國特檢院青年科技英才項目（KJYC-2023-10）。

陳瀟，辛佳興，蘇政達，等.油氣管道非飽和磁化應力檢測技術研究137-144

Chen Xiao，Xin Jiaxing，Su Zhengda，et al.Unsaturated magnetization stress detection technology for oil and gas pipelines137-144

應力集中是在役油氣管道損傷、失效的重要原因，為能源的輸送安全埋下巨大隱患。為此，提出一種非飽和磁化管道應力檢測新方法，分析了非飽和磁化油氣管道應力檢測機理，推導獲得了應力檢測等效磁路模型，利用有限元方法探究了屏蔽層對應力響應信號的影響規律，對X52管道鋼試件在0～140 MPa范圍內進行拉伸應力檢測試驗，驗證了非飽和磁化檢測探頭對試件應力狀態的感知能力。研究結果表明：隨磁屏蔽層長度增加，信號畸變度持續增加，但梯度值減小；隨磁屏蔽層厚度增加，信號畸變度先增加后減小；拉伸應力與響應信號呈現負相關的線性變化趨勢。研制的檢測探頭對應力狀態感知的靈敏度達到18.48 mV/MPa。研究成果可為管道應力集中在線檢測探頭及裝備研制提供參考。

油氣管道；應力檢測；非飽和磁化；等效磁路；屏蔽

TE973

A

018

Unsaturated Magnetization Stress Detection

Technology for Oil and Gas Pipelines

Chen Xiao1" Xin Jiaxing2" Su Zhengda3" Shi Xuwu4" He Renyang2" Liu Chang2" Chen Jinzhong2

（1.Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province; 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute; 3.China Nuclear Power Technology Research Institute Co.，Ltd.; 4.Lüyuanda Clean Fuel Limited Company of Beijing Gas）

Stress concentration is a key cause for damage and failure of in-service oil and gas pipelines，laying a huge hidden danger for the safety of energy transportation. In this paper，a new method for stress detection in unsaturated magnetized pipelines was proposed. The stress detection mechanism of unsaturated magnetized oil and gas pipelines was analyzed，and an equivalent magnetic circuit model for stress detection was derived. The influence of shielding layer on stress response signals was investigated using finite element method; and tensile stress detection tests were conducted on X52 pipeline steel test specimens in the range of 0-140 MPa to verify the sensing ability of the unsaturated magnetization detection probe on the stress state of the test specimens. The research results show that as the length of the magnetic shielding layer increases，the signal distortion degree continues to increase，but the gradient value decreases. As the thickness of the magnetic shielding layer increases，the signal distortion degree first increases and then decreases. The tensile stress shows a linear variation trend of negative correlation with the response signal，and the sensitivity of the developed detection probe for the perception of stress state reaches 18.48 mV/MPa. The research results provide reference for the development of online detection probe and equipment for pipeline stress concentration.

oil and gas pipeline; stress detection; unsaturated magnetization; equivalent magnetic circuit; shielding

0" 引" 言

陳瀟，等：油氣管道非飽和磁化應力檢測技術研究

管道被認為是油氣能源物質輸送最安全、可靠的方式。公開數據表明，全球在役油氣管道約3 500條，其中原油管道總長3.3×105 km，成品油管道總長2.6×105 km，天然氣干線總長1.24 ×106 km。預計到2025年，中國的油氣管網規模將達到24×104 km［1］。管道的運行環境復雜、設計施工技術參差不齊，在制造殘余應力和環境應力的共同作用下，易萌生疲勞和腐蝕裂紋并擴展，引發重大安全事故。管道內檢測技術是隱患排查的有效手段，但目前成熟應用的管道通徑［2］、漏磁［3］、渦流［4］、超聲［5］等在線檢測技術的感知對象限于變形、腐蝕、鑿痕、裂紋等宏觀缺陷，對于微觀上的應力狀態檢測能力存在明顯不足。

為此，國內外眾多學者開展基于金屬磁記憶、矯頑力、巴克豪森、弱磁等應力檢測新技術研究。基于金屬磁記憶技術，浙江大學BAO S.等［6］研究了磁場信號分量梯度隨殘余應力的變化規律，實現了應力的定量表征［7］。沈陽工業大學楊理踐等［8］研究了應力對鐵磁性材料磁化強度取向的影響，提出了通過測量鐵磁性材料的矯頑力實現應力檢測的方法。中國特種設備檢測研究院陳金忠等［9-10］將連續巴克豪森應力檢測技術應用于 X60 鋼管，驗證了該技術在長輸管道應力內檢測應用的可行性。M.S.OGNEVA等［11］利用磁各向異性技術開發了新型傳感器，實現大型低碳鋼結構殘余應力的無損評估。

過飽和磁化的背景磁場強大、被測材料出現不可逆磁疇，微弱的應力信號淹沒在漏磁場中，難以實現應力的有效檢出。基于非飽和磁化方法，CHEN J.Z.等［12］實現了管道含殘余應力的鑿痕與不含應力腐蝕的判別。LIU B.等［13］通過數值模擬和試驗探究了應力集中程度與響應信號間的映射規律。此外，結合磁導率微擾檢測技術，DENG Z.Y.等［14］實現了鐵磁性管道埋藏缺陷的有效檢測。

筆者以上述研究為基礎，開展了油氣管道非飽和磁化應力檢測技術研究。分析了非飽和磁化應力檢測機理，獲取了應力檢測等效磁路模型，提出了帶有磁屏蔽的傳感結構，利用數值分析方法獲取了屏蔽層尺寸對應力響應信號的影響。最后，利用優選結構參數的應力檢測探頭進行了靜拉伸應力定量檢測試驗。

1" 非飽和磁化應力檢測理論

1.1" 檢測機制

維拉里效應又稱為逆磁致伸縮效應，由意大利物理學家Emilio Villari發現，描述的是在機械應力作用下鐵磁材料內部磁疇狀態發生變化，導致該區域的磁特性發生相應改變。應力引起的磁感應強度B對應力的變化率（dB/dσ）H與磁場引起的磁致伸縮應變對磁場H的變化（dλ/dH）σ相等。其實質為通過應力和磁場使強磁性物質的磁疇結構發生變化，因此通過測量磁參數可以間接獲取試件的應力狀態［15-16］。

鐵磁性試件在外磁場的作用下產生了疇壁位移和磁疇偏轉，在此過程中應力是磁疇偏轉的主要阻力。圖1所示為應力、自發磁化和外加磁場的矢量圖，其中θ0為外加磁場H和殘余應力σr之間的角度，θ為自發磁化強度Ms與殘余應力之間的夾角。

應力作用下的鐵磁性材料初始磁導率可以定義為：

μ0=8πM2s3kλsσr+σ

（1）

式中：μ0為初始磁導率，H/m；Ms為飽和磁化強度，A/m；k為應力與磁化場角度系數，當應力與磁化場平行時，k=3；當應力與磁化場垂直時，k=3/2；λs為飽和磁致伸縮常數；σ為施加應力，MPa；σr為殘余應力，MPa。

由式（1）可知，管道的初始磁導率與應力成反比。

應力作用下的鐵磁性材料磁導率可定義為：

μσi±=μ01±σrσo-1

（2）

式中：σo為施加應力，MPa;±為應力的方向（垂直于磁場為+）。

圖2為利用有限元分析方法獲得的不同形式應力作用下的管道B-H曲線。由圖2可以發現，在近飽和區域，管道內部的磁感應強度B產生了明顯的偏移，表明當管道處于近飽和磁化強度時，拉/壓應力對磁特性的改變最為顯著。

1.2" 等效磁路分析

管壁經磁化后，應力檢測傳感器與被測局部管道形成磁回路，當存在應力集中時，磁疇、磁矩的排列和方向發生變化，內部磁力線不再與管壁平行，部分磁場泄露到空間中衍生出局部的畸變磁信號。通過磁性芯片拾取這一信號可以實現管道應力狀態的感知。圖3所示為應力檢測探頭的結構示意圖，主要包括U形軛鐵、激勵線圈、屏蔽層、檢測芯片、外殼等。

垂直磁化場方向的拉伸殘余應力σr gt;0，采用一階近似方法，磁導率將降低；垂直于磁化場方向的壓應力σrlt;0，磁導率將增加，當應力與磁場平行時，反之。根據阻抗定律，磁阻Rm可表示為：

Rm=lμS=lμrμoS

（3）

式中：Rm為磁阻，A/Wb；l為磁路長度，m；S為磁路模截面積，m2；μr為相對磁導率；μo為真空狀態下的磁導率，H/m。

圖4所示為管道應力集中檢測探頭的等效磁路模型。當被測管道存在應力集中時，相對磁導率由μr改變為μ′r，被測區域的磁阻由R1改變為R′1。

圖4中：F為激勵線圈的磁勢，F=NI；N為激勵線圈匝數；I為激勵源提供的激勵電流，A；1為U形軛鐵的磁通量，Wb；2為軛鐵兩端空氣的磁通量，Wb；3為被測管道與U形軛鐵間空氣的磁通量，Wb；4為屏蔽層的磁通量，Wb；5為屏蔽層與空氣間的磁通量，Wb。此外，R2和 R3分別為磁芯和被測管道及U形軛鐵間的空氣磁阻，R1為無應力作用下管道磁化區域的磁阻，R′1為有應力作用下磁化區域被測管道的磁阻，R4和 R5分別對應磁芯腳磁阻與線圈纏繞方向磁芯的磁阻，R6為應力檢測傳感器屏蔽層的磁阻，A/Wb。

根據磁路歐姆定律以及傳感器結構的對稱性可以得出：

1=2+3

3=4+5

4R6-3R5=0

22R2+R1-3R3/R6=0

12R4+R5+3R3/R6=F

（4）

令a=2R4+R5，被測管道檢測區域磁感應強度B可表示：

B=5S1=FaR6S1R6R32R2+R1+a+a2R3+R6

（5）

被測管道應力集中區域的磁感應強度B′可表示為：

B′=′5S1=FaR6S1R6R32R2+R′1+a+a2R3+R6

（6）

被測管道有無應力的磁感應強度差值ΔB為：

ΔB=B′-B=′3-3S1

（7）

式中：S1為被測管道應力集中處的模截面積，m2。

當被測管道受到應力集中作用時，磁化區域的管道磁阻R1變為R′1，由式（7）可以計算出ΔB，通過檢測芯片拾取空間磁信號，可以實現管道應力集中的量化。

2" 應力檢測數值模擬

本章利用COMSOL 多物理場仿真軟件對應力集中檢測探頭的屏蔽層尺寸進行參數化分析，獲取管道拉伸應力與響應信號間的變化規律。

2.1" 模型建立

圖5所示為非飽和磁化應力檢測二維仿真模型，主要包括：應力檢測傳感器、被測管道、屏蔽層。設置管道模型一端為x軸正向的拉伸應力σ1，另一端為固定約束，使被測管道產生應力集中效應。

U形軛鐵的材質為高磁導率的電工純鐵；激勵線圈材質為銅；被測管道材料為X52鋼；線圈纏繞在U形軛鐵上，匝數為500；激勵線圈中施加的電流強度為1.6 A，使管道的被測區域的磁感應強度達到B-H曲線近飽和區域。表1和表2所示分別為有限元分析模型幾何尺寸和材料電磁參數。

管道的網格設置為自由四邊形，網格大小為極細化，最大單元大小為1 mm。空氣域設置為自由三角形網格，網格大小為常規大小，最大單元為53 mm，最小單元為0.3 mm。模型的其他部分網格設置為較細化，最大單元為10 mm，最小單元為0.02 mm。

圖6為非飽和勵磁作用下的磁感應強度分布云圖。由圖6可以看出，屏蔽層的存在有效屏蔽了強大的背景磁場。

2.2" 屏蔽層尺寸參數優化

為了探究屏蔽層尺寸參數對應力檢測傳感器性能的影響，提取x方向的磁場強度分量信號，并以應力響應信號差值ΔB和畸變度β作為特征，優化設計屏蔽層的最佳尺寸，特征信號的定義如下：

ΔB=Bx0-Bxσ

β=ΔBBx0×100%

（8）

式中：Bx0為無應力時傳感器輸出的信號，T;Bxσ為應力為σ時傳感器輸出的信號，T。

2.2.1" 屏蔽層長度L

為了研究探頭屏蔽層長度L對應力響應信號特征的影響，屏蔽層的高度h固定為10 mm，厚度t固定為1 mm。屏蔽層長度L由5 mm依次增加至14 mm，步長為1 mm，拉伸應力設置為0 ～140 MPa。

圖7所示為不同屏蔽層長度L對應的應力響應信號特征曲線。

由圖7a可知，隨L的增加，屏蔽結構對背景磁場的屏蔽作用減弱，更多的背景磁場和應力磁場信息被磁敏感元件捕獲。同時，受維拉里效應的影響，管道拉應力方向的磁導率增加，更少的磁通泄露到空間中，因此曲線整體向下平移。

由圖7b可知，屏蔽層長度的增加可以提升傳感器對應力的感知能力。具體而言，當屏蔽層長度為5 mm時，軸向磁感應強度差值ΔBx約為1.14×10-4 T；當屏蔽層長度增加至14 mm時，軸向磁感應強度差值ΔBx增加至2.94×10-4 T，對應力感知的靈敏度增加了約157.89%。同時，屏蔽層長度由5 mm變化至6 mm，ΔBx和β的變化量分別為0.59×10-4 T和1.07%，但當屏蔽層長度由13 mm變化至14 mm時，ΔBx和β變化量分別減小為0.09×10-4 T和0.01%，因此隨屏蔽層長度的增加，ΔBx和β的梯度值逐漸減小。

綜上，為了增強傳感器的應力感知能力，在磁性芯片放置空間允許的條件下，應盡量選擇屏蔽層長度較大的設計方案。優選屏蔽層長度L為14 mm。

2.2.2" 屏蔽層高度h

為了研究探頭屏蔽層高度h對應力響應信號特征的影響，屏蔽層的長度L固定為14 mm，厚度t固定為1 mm，高度h由10 mm依次變化至20 mm，步長為1 mm，拉伸應力設置為0 ～140 MPa。圖8所示為不同屏蔽層高度h對應的應力響應信號特征曲線。

由圖8a可知，隨屏蔽層高度h的增加，軸向磁感應強度Bx信號趨于線性正相關的變化趨勢，因此空間中更多的磁場信息被磁敏感元件所感知。

由圖8b可知，當屏蔽層高度h由10 mm增加至20 mm時，應力響應信號ΔBx在（2.942 ～2.948 ）×10-4 T之間波動，最大變化量僅為0.006 ×10-4 T，表明屏蔽層高度h的增加不會導致應力響應信號差值ΔBx的改變。此外，由于高度的增加導致磁性芯片感知的背景磁場增加，信號畸變度β持續減小，當高度由10 mm增加至20 mm時，β由8.17%降低至5.67%。

因此在磁性芯片放置空間允許的條件下，應盡量選擇屏蔽層高度較小的設計方案。優選的屏蔽層高度h為10 mm。

2.2.3" 屏蔽層厚度t

為了研究探頭屏蔽層厚度t對應力響應信號特征的影響，將屏蔽層的長度L固定，設置為14 mm，高度h設置為10 mm，厚度t由1 mm依次變化至5 mm，步長設置為0.5 mm，拉伸應力設置為0 ～140 MPa。

圖9所示為不同屏蔽層厚度t對應的應力響應信號特征曲線。

由圖9a可知，隨屏蔽層厚度t的增加，軸向磁感應強度Bx信號呈現負相關變化趨勢。其原因是屏蔽層厚度的增加使屏蔽層的磁阻降低，更多的背景磁場會經屏蔽層“流過”，所以自由空間的Bx減小。

由圖9b可知，當屏蔽層厚度t由1 mm增加至2 mm時，應力響應信號ΔBx呈現負相關的變化趨勢。其原因可能是部分應力磁場響應信號由屏蔽層“流過”，自由空間中的應力響應信號分量降低。信號畸變度β與屏蔽層厚度t呈先增加后減小的非線性變化規律。具體而言，當t由1 mm依次變化至5 mm時，對應的β依次變化為8.17%、8.71%、8.96%、9.09%、9.08%、8.98%、8.73%、8.36%和7.44%。屏蔽層厚度由1 mm增加至2.5 mm時，探頭對應力感知能力僅降低了0.92%。

綜上，考慮到屏蔽層內部磁性芯片的空間布置，優選的屏蔽層厚度t為1 mm。

3" 拉伸應力檢測試驗與分析

3.1" 應力檢測試驗系統

自主研發的拉伸應力檢測試驗系統包括應力檢測傳感器、信號調理模塊、數據采集卡、LabVIEW采集程序、待測拉伸試件及萬能拉伸試驗機等。

應力集中檢測傳感器采用直流磁化，軛鐵由電工純鐵機械加工制成，該材料具有飽和磁感應強度高、加工性能好、價格低等優點。激勵線圈的匝數為500，線徑為0.4 mm，材質為銅，通過調節直流電強度可提供0～20 kA/m的磁化強度。檢測芯片選用TMR2503磁阻傳感器，可感應垂直于芯片表面的磁場，在0～750 ×10-4 T范圍內磁場值與輸出電壓間呈線性關系。

調理電路主要包含低通濾波和放大2個模塊，可以濾除高頻噪聲信號，同時將微弱的應力響應信號進行放大處理。數據采集卡型號為USB-6211，提供了16路模擬輸入，250 kS/s單通道采樣率，2路模擬輸出和4路數字輸入。在LabVIEW采集程序的驅動下實現拉伸應力響應信號的實時A/D轉換和采集。

圖10所示為待測試拉伸試件工程圖，材質為X52 管道鋼，采用機械加工的方式制作。圖11為拉伸應力檢測試驗系統圖。試驗中應力檢測傳感器的幾何參數與數值模擬中的設置完全一致。

3.2" 試驗過程

拉伸應力檢測試驗流程如下。

（1）利用萬能材料試驗機的夾持機構將試件固定在拉伸區域內，同時將檢測探頭固定于待測試件的中心處。

（2）萬能材料試驗機以 2 mm/min 的速度進行拉伸。

（3）控制萬能材料拉伸試驗機，使其產生0～140 MPa的拉伸應力，并且每間隔20 MPa記錄1次傳感器輸出的電壓信號。

（4）繪制輸出電壓隨拉伸應力變化的曲線。

3.3" 試驗結果與討論

圖12為應力響應信號變化曲線。該曲線大致可以分為區域Ⅰ（0 ～80 MPa）和區域Ⅱ（80 ～140 MPa）2部分。

對于區域Ⅰ，采集到的電壓信號與拉伸應力σ間呈線性變化趨勢，擬合關系式如下：

Vout=-0.019σ+2.41（9）

式中：線性相關性系數R2達到0.99，因此在0～80 MPa范圍內，采集到的電壓信號Vout與拉伸應力存在顯著的線性變化關系。

由于磁性芯片為一線性傳感器，在5 V供電時其靈敏度ksen為50 V/T，調理電路的放大倍數kam為200。理想條件下拉伸應力試驗采集到的電壓信號V′out與應力σ間的變化率k可表示為：

k=k1ksenkam

（10）

式中：k1為數值模擬中獲得的Bx信號與σ的斜率，為0.021 ×10-4 T/MPa。

計算可得k=21 mV/MPa，因此在線性變化區域，數值模擬和試驗的誤差約為9.52%。

對于曲線的區域Ⅱ，當應力由80 MPa增加至140 MPa時，隨應力的增加，采集到的電壓信號與拉伸應力間表現出非線性負相關的變化趨勢，多項式擬合如下：

U=0.000 28σ2-0.023 84σ+2.410 6

（11）

采集的原始試驗數據與式（11）的相關性系數為0.99。

其原因是拉伸應力的持續增加導致試件壁厚減薄，空間中的漏磁場增加。因此，在維拉里效應和漏磁的共同作用下，空間中的磁場出現了非線性的變化趨勢。

4" 結論及認識

（1）基于維拉里效應對非飽和磁化應力集中檢測方法進行理論分析，獲得了非飽和磁化應力集中檢測的等效磁路模型。

（2）利用數值模擬方法對非飽和應力檢測探頭的屏蔽層進行了參數化分析，結果表明：信號畸變度β隨長度L的增加呈現正相關變化趨勢，并且梯度值持續減小；信號畸變度β隨厚度t的增加呈現先增加后減小的變化趨勢。

（3）利用優選結構參數的探頭對拉伸應力進行數值模擬及試驗，發現在一定范圍內響應信號隨拉伸應力呈負相關線性變化規律。

以上研究結果對油氣管道應力集中檢測探頭的研制具有一定指導意義。

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第一陳瀟，高級工程師，生于1988年，2010年畢業于南京工業大學過程裝備與控制工程專業，現從事壓力管道檢驗檢測技術研究工作。地址：（210002）江蘇省南京市。電話：（025）89621093。email：15951678339@163.com。

通信作者：辛佳興，email：jiaxingxin_cup@163.com。

2024-01-23

劉鋒