CN1793894A - 用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中的方法，属于确定管道焊接裂纹尖端应力集中的技术。该方法的过程包括：将金属磁记忆检测仪测得的磁记忆信号数字化，生成计算机可以读取的文件，并存储到计算机中；根据磁场高斯定律确定管壁内部应力与金属磁记忆信号反应的自有漏磁场之间的关系；产生焊接裂纹时，裂纹的尖端会存在非常严重的应力集中，造成该点应力变化最大，定义这个应力变化的最大值作为焊接裂纹尖端应力集中程度的一种度量。本发明的优点在于可以对管道中焊接裂纹尖端的应力集中程度进行定量的评价，从而实现对在役管道运行的可靠性进行安全评估。

Description

用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中的方法

                          技术领域

本发明涉及一种利用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中的方法，属于确定管道焊接裂纹尖端应力集中的技术。

                          技术背景

焊接是一个非平衡的过程，经过焊接的结构必然会产生焊接残余应力，从而会在某些局部位置造成应力集中，因此在高温、高压、高载荷条件下运行的设备和结构由于各种应力集中导致的破坏问题相当突出。如何对设备和结构的应力集中进行定量化的测量一直是无损检测所关注的重大问题。

要对设备和结构某一部位的应力集中进行测量，首先必须测定该部位的应力分布情况。我们知道，材料的某些物理量在应力场的作用下会发生变化，大多数的无损应力测量技术是通过测量这些物理量的变化，间接地计算出物体内部的应力状态。目前，工业上常用的应力测量技术主要有X射线、超声波以及磁力方法。X射线法只能测定金属的表面应力，另外X射线对人体有害，必须采取有效的防护措施才能进行测量；超声波法虽然可以测定材料的内部应力，但是它对检测人员的技术要求水平很高，人为误差较大；在磁力方法中，比较成熟的的有Barkhausen发射法和压磁法，他们对被测对象检测点的表面粗糙度和平面度都有较高的要求。

金属磁记忆检测技术是一种新型的无损检测方法，属于弱磁信号磁力测定方法的一种。磁记忆信号反应的是工件在地磁场环境中，由于应力的作用而在应力集中区产生的自有漏磁场。这种自有漏磁场的产生是由于铁磁工件在应力集中和变形区的作用下引起磁状态的不可逆变化造成的，与其它人工磁化而产生的漏磁场有本质的区别，它更能真实地反映工件内部应力的作用情况。

金属磁记忆效应是指铁磁性材料在承载情况下，其应力和变形集中区域受地磁场激励发生的具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，从而在该区域产生的自有漏磁场。利用金属磁记忆检测仪可以检测到这个自有漏磁场的法向分量。该漏磁场的法向分量反映了焊接裂纹内部应力集中的程度，因此可以通过金属磁记忆检测技术测量焊接裂纹处应力集中的大小。关于采用金属磁记忆原理测定焊接裂纹内部应力集中的检测方法目前尚无相关文献报道。

                          发明内容

本发明的目的在于提供一种利用金属磁记忆检测信号评价管道焊接裂纹尖端应力集中的方法，利用该方法可以对焊接裂纹尖端应力集中进行定量的评价。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的。采用金属磁记忆检测仪对管道焊缝进行检测，可以得到金属磁记忆信号。所述的金属磁记忆检测仪包括磁感应强度传感器、温度传感器、长度传感器、以及滤波、放大电路组成。利用该曲线对管道焊缝的应力集中状态进行评价，其特征在于包括以下过程：

1、将利用金属磁记忆检测仪测得的磁记忆信号数字化，生成计算机可以直接读取的文本文件，并存储到计算机中。

2、依据磁场的高斯定律 确定管壁内部应力与金属磁记忆信号反应的自有漏磁场之间的关系。结合管道为柱体的特点，将高斯定律写成柱坐标的形式，整理后可以得到：

$B_{\mathrm{\ρ}}=-\mathrm{\ρ}(\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{{\∂l}_{\mathrm{\θ}}}+\frac{{\∂B}_z}{\∂z})----\left(1\right)$

其中：B_ρ为径向的磁感应强度；B_θ为切向的磁感应强度，B_z为z向的磁感应强度，ρ为管道的公称半径，单位mm；l_θ为任意弧度θ对应的弧长，单位：rad。在管壁内部将式(1)积分可得：

$\underset{R-\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\overset{R+\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\∫}}{B}_{\mathrm{\ρ}}\mathrm{d\ρ}=-\underset{R-\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\overset{R+\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\∫}}\mathrm{\ρ}(\frac{\∂B_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}}+\frac{\∂B_z}{\∂z})\mathrm{d\ρ}----\left(2\right)$

整理后得到：

$B_{\mathrm{\ρ}}=-R(\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{{\∂l}_{\mathrm{\θ}}}+\frac{{\∂B}_z}{\∂z})----\left(3\right)$

在管道的表面区段上式(3)取积分可得：

$-\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}{B}_{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dz}=R(\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}\mathrm{dz}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{{\∂l}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}+\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}\frac{{\∂B}_z}{\∂z}\mathrm{dz})$

$=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}\left(R\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}\frac{{\∂B}_z}{\∂z}\right)----\left(4\right)$

式中： $B_{\mathrm{\θ}}{|}_0^{2\mathrm{\πR}}=0,$ 原因是同磁场圆周分量的合数由于圆周的任意积分围道的闭合及围道起点和终点处磁场量值的重合而消失。

写成有限小差数比的形式为：

$B_P=-R\frac{\mathrm{\Δ}{B}_z}{\mathrm{\Δz}}----\left(5\right)$

利用漏磁场与应力变化量Δσ之间的线性关系 $H_p=\frac{{\mathrm{\λ}}^H}{{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\Δ\σ},$ 带入式(5)可以得到：

$\mathrm{\Δ\σ}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\λ}}^{H}R}{H}_P\mathrm{\Δz}----\left(6\right)$

其中：Δσ为检测部位应力的变化量，单位：MPa；λ^H为磁弹性效应的不可逆分量，其数值与被测材料有关，对于确定的材料，可以用实验的方法经最小二乘法确定。μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；H_p为金属磁记忆检测信号，也即漏磁场强度的法向分量，单位：A/m，R为管道的外径，单位：mm，ΔZ为磁记忆检测设备的探头的取样长度，单位：mm。

3、因为当产生焊接裂纹时，裂纹的尖端会存在非常严重的应力集中，也就是说，在裂纹尖端区域应力的变化值是最大的，定义这个应力变化的最大值作为焊接裂纹尖端应力集中程度的一种度量。

设检测段的应力变化量的最大值为σ_max，那么这个最大值就可以表示裂纹尖端的应力集中，

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\max \left\{\mathrm{\Δ\σ}\right\}=\max \{-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\λ}}^{H}R}{H}_P\mathrm{\Δz}\}----\left(7\right).$

本发明的优点在于可以对管道中焊接裂纹尖端的应力集中程度进行定量的评价，从而实现对在役管道运行的可靠性进行安全评估。

                         附图说明

图1为本发明所采用金属磁记忆检测仪的结构框图；

图2为实现本发明的计算流程图；

图3为采用金属磁记忆检测仪测得的实施例中序号为1的磁记忆信号曲线。

                      具体实施方式

利用TSC-1M-4型金属磁记忆检测仪对材质为X65管线钢焊接钢管的焊接接头进行现场检测，钢管的几何尺寸为Φ468×8mm。对9条含有焊接裂纹的焊缝进行检测后，按照本发明的计算流程图进行计算，得到了每条焊接裂纹尖端的应力集中值，见表1。为了与计算结果对比，后采用小孔法对裂纹尖端的应力集中进行了测量，测量值如表1所示。

                             表1  裂纹尖端应力集中的计算值与实测值比较

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										计算值(MPa)	520.2	487.6	529.9	524.9	495.4	539.3	502.6	529.6	535.7
实测值(MPa)	501.7	534.2	476.4	486.5	527.3	478.1	544.7	498.7	491.3
										误差(％)	3.7	8.7	11.2	7.9	6.1	12.8	7.7	6.2	9.1

从表中数据可以看出，实测值与计算值结果的误差小于15％，这说明利用本发明对焊接裂纹尖端的应力集中进行无损确定是准确可靠的。

Claims (1)

1、一种利用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中的方法，该方法采用金属磁记忆检测仪对管道焊缝进行检测，可以得到金属磁记忆信号，所述的金属磁记忆检测仪包括磁感应强度传感器、温度传感器、长度传感器、以及滤波、放大电路组成。利用该曲线对管道焊缝的应力集中状态进行评价，其特征在于包括以下过程：

1)将利用金属磁记忆检测仪测得的磁记忆信号数字化，生成计算机可以直接读取的文本文件，并存储到计算机中；

2)依据磁场的高斯定律 确定管壁内部应力与金属磁记忆信号反应的自有漏磁场之间的关系，结合管道为柱体的特点，将高斯定律写成柱坐标的形式，整理后可以得到：

$B_{\mathrm{\ρ}}=-\mathrm{\ρ}(\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{{\∂l}_{\mathrm{\θ}}}+\frac{{\∂B}_z}{\∂z})---\left(1\right)$

其中：B_ρ为径向的磁感应强度；B_θ为切向的磁感应强度，B_z为z向的磁感应强度，ρ为管道的公称半径，单位mm；l_θ为任意弧度θ对应的弧长，单位：rad，在管壁内部将式(1)积分可得：

$\underset{R-\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\overset{R+\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\∫}}{B}_{\mathrm{\ρ}}\mathrm{d\ρ}=-\underset{R-\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\overset{R+\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{\∫}}\mathrm{\ρ}(\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}}+\frac{{\∂B}_z}{\∂z})\mathrm{d\ρ}---\left(2\right)$

整理后得到：

$B_{\mathrm{\ρ}}=-R(\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{\∂l_{\mathrm{\θ}}}+\frac{{\∂B}_z}{\∂z})---\left(3\right)$

在管道的表面区段上式(3)取积分可得：

$-\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}{B}_{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dz}=R(\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}\mathrm{dz}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}\frac{{\∂B}_{\mathrm{\θ}}}{{\∂l}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}+\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}\frac{{\∂B}_z}{\∂z}\mathrm{dz})$

$=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πR}}{\∫}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{\θ}}\left(R\underset{z_1}{\overset{z_2}{\∫}}\frac{{\∂B}_z}{\∂z}\right)---\left(4\right)$

式中： $B_{\mathrm{\θ}}{|}_0^{2\mathrm{\πR}}=0,$ 原因是同磁场圆周分量的合数由于圆周的任意积分围道的闭合及围道起点和终点处磁场量值的重合而消失，

写成有限小差数比的形式为：

$B_P=-R\frac{{\mathrm{\ΔB}}_z}{\mathrm{\Δz}}---\left(5\right)$

利用漏磁场与应力变化量Δσ之间的线性关系 $H_p=\frac{{\mathrm{\λ}}^H}{{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\Δ\σ},$ 带入式(5)可以得到：

$\mathrm{\Δ\σ}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\λ}}^{H}R}{H}_P\mathrm{\Δz}---\left(6\right)$

其中：Δσ为检测部位应力的变化量，单位：MPa；λ^H为磁弹性效应的不可逆分量，其数值与被测材料有关，对于确定的材料，可以用实验的方法经最小二乘法确定，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；H_p为金属磁记忆检测信号，也即漏磁场强度的法向分量，单位：A/m，R为管道的外径，单位：mm，ΔZ为磁记忆检测设备的探头的取样长度，单位：mm；

3)因为当产生焊接裂纹时，裂纹的尖端会存在非常严重的应力集中，也就是说，在裂纹尖端区域应力的变化值是最大的，定义这个应力变化的最大值作为焊接裂纹尖端应力集中程度的一种度量；

设检测段的应力变化量的最大值为σ_max，那么这个最大值就可以表示裂纹尖端的应力集中，

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\max \left\{\mathrm{\Δ\σ}\right\}=\max \{-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\λ}}^{H}R}{H}_P\mathrm{\Δz}\}---\left(7\right).$

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