基于双场力磁耦合的管道应力检测方法

摘要

【目的】随着油气管道运输规模的不断扩大，管道安全检测的重要性日益凸显。管道缺陷处的应力集中是导致裂纹扩展和断裂事故的主要原因，然而现有检测方法难以实现应力的定量化评估。本文提出一种基于双场力磁耦合的管道应力检测方法，结合管道不同应力状态下J-A模型参数的变化情况，建立了磁应力检测模型；分别确定了不同弹性应力、塑性应变和不同外磁场对磁化强度和磁信号特征的影响。【方法】研究基于磁应力检测原理、J-A模型与磁荷理论，通过分析不同阶段应力和不同外磁场对磁化强度和磁信号的影响，找出不同外磁场和不同阶段应力下磁滞回线和磁化强度的关系及不同应力、不同磁场下轴、径向信号的变化特征。引入比例系数建立双磁场应力检测模型，并建立双磁场法弹、塑性应力检测模型。最后采用实验对该理论进行验证。推导弹性应力与塑性应变阶段的等效磁场强度公式，明确钉扎系数、形状系数及畴壁耦合系数随应力的变化规律。以X80管道钢为试件进行实验，在10～80 kN拉力和0～10 A/m外磁场下进行拉伸实验，测量磁信号特征。【结果】结果显示，不同外磁场与应力裂纹轴向分量磁信号特征均存在峰值，且峰值位置不随外磁场与应力的增加而发生波动。切向峰值随外磁场的增加而增加，与理论计算结果一致。实验结果表明，模型在应力较大时与实测结果高度吻合，误差较小；低应力下因参数拟合偏差存在一定误差，但整体验证了模型的可行性。【结论】在弹性阶段，拉应力使磁滞回线先逆时针后顺时针旋转，弱磁场下磁化强度变化显著，强磁场下应力影响微弱。在塑性阶段，塑性应变降低了磁化曲线斜率，初始磁化曲线和磁滞回线均顺时针旋转，弱磁场下磁化强度变化更为明显。磁化强度与磁信号成比例关系，将强磁信号与磁化强度的比值作为比例系数，该比例系数仅与缺陷尺寸有关，由此建立双磁场检测应力模型。模型计算得到的应力值在应力较大的情况下准确率较高，检测模型具有一定的应力检测能力。本文将双磁场法与J-A理论结合，提出基于比例系数的弹塑性应力分离模型，建立双磁场法弹、塑性应力检测模型，解决了传统方法中缺陷与应力信号混叠的难题。为油气管道缺陷处应力检测提供了高精度、可量化的技术方案，对预防管道事故、保障能源运输安全具有重要意义。

关键词

双磁场 / 力磁耦合 / 长输油气管道 / 磁化强度 / J-A模型 / 缺陷 / 弹性应力 / 塑性应变

基金资助

国家自然科学基金项目(62101356)