摘要：疲劳破坏是威胁油气管道安全运行的潜在因素，而管道断裂事故一旦发生，轻则可能导致环境污染，重则可能引发财产损失和人员伤亡等严重后果。目前，漏磁检测是管道内检测领域的主流检测技术，其通过检测管道表面漏磁场的变化发现缺陷[1]。一般来说，铁磁性材料被磁化后，其内部缺
疲劳破坏是威胁油气管道安全运行的潜在因素，而管道断裂事故一旦发生，轻则可能导致环境污染，重则可能引发财产损失和人员伤亡等严重后果。目前，漏磁检测是管道内检测领域的主流检测技术，其通过检测管道表面漏磁场的变化发现缺陷[1]。一般来说，铁磁性材料被磁化后，其内部缺陷可导致材料表面或近表面形成漏磁效应，同时也能诱发内部各位置的磁特性发生改变，从而在材料表面形成非线性分布的磁场信号[2]。铁磁材料的宏观磁特性表现为激励磁场和感应磁场之间存在非线性磁滞效应的映射关系，材料微观组织或应力分布的空间差异都会影响磁特性[3-4]。基于铁磁材料的宏观磁学特征定量表征其微观组织和机械性能的方法，统称微磁无损评估技术[5]。微磁无损评估技术具有非接触、速度快和不需要耦合剂等特点，可用于评估服役构件的应力状态、缺陷损伤、性能劣化和疲劳寿命等[6]，常见的有磁巴克豪森噪声法[7]、多频涡流法[8]、切向磁场谐波分析法[9]、增量磁导率法[10]和磁滞回线法[11]。
20世纪70年代，德国FRAUNHOFER无损检测研究所便提出基于磁性无损技术评估金属构件热处理质量的设想，并研制出首台商业化3MA微磁多参数无损检测仪[12-13]。中国特种设备检测研究院经多年的潜心研究，自主研制出首套国产化磁多参数检测仪。在微磁检测技术应用方面，sheng等[14]基于微磁参量和机器学习算法融合,全面评估了管线钢的机械性能，其中XG-Boost模型的预测精度最高可达93%。DUCHARNE等[15]利用微磁技术检测了构件表面的碳化层厚度，发现增量磁导率信号幅值与碳化层厚度呈高度线性关系，可能与磁畴壁阻塞机制有关。SiDI-AHMED等[16]通过3MA-涡流无损技术测量了零部件表面激光淬火层深度，且测量结果得到了有限元仿真的验证。董海江等[17]尝试利用微磁检测方法对高频感应淬火45钢性能指标进行定量检测，构建的多元线性回归模型很好地预测了屈服强度、抗拉强度和强化层深度。RABUNG等[18]结合微磁多参数和磁性自适应测试技术对反应堆压力容器15Kh2NMFA和A508Cl.2钢中子辐射脆化进行无损评估，发现材料磁特性与中子辐射导致的损伤存在相关性。李丽娟等[19]开发了增量磁导率计算程序，研究了低碳钢塑性变形对增量磁导率信号的作用机理。可以看出，微磁无损技术目前主要集中于金属构件的机械性能预测和劣化评估上，涉及疲劳损伤和使用寿命的研究却鲜有报道。
因此，基于典型压力管道材料45钢的拉伸疲劳试验，研究缺口试样疲劳特性及其微磁信号变化规律，分析不同磁参量特征值与疲劳损伤的内在关系，提出一种可定量评估损伤程度的磁特性参量，为利用微磁无损检测技术实现油气管道状态监测与寿命预测奠定理论基础。
根据磁畴假说，铁磁性材料可认为由许多微小的磁畴构成，其中任意两个磁畴之间的过渡区称为磁畴壁，通常包括180°畴壁和90°畴壁[20]。在外磁场H作用下，磁畴状态将经历缓慢-剧烈-趋于饱和的磁化过程，磁感应强度B最终达到饱和状态。此时如果外磁场H减弱，磁感应强度B会不断降低，但变化路径和幅度不同于初始的磁化过程，这种不可逆的磁感应强度变化落后于磁化过程的滞后现象[17]，可用图1所示的磁滞回线表示，其中磁感应强度为零时对应的磁场强度为矫顽力Hc。磁滞回线起源于材料的微观组织与磁畴之间的相互作用，这也是微磁无损检测技术的理论基础。显然地，磁化过程是不连续的，因为畴壁的运动会受到微观结构的阻碍，磁巴克豪森噪声（MBN）来自材料组织结构内部的钉扎效应引发的磁畴不规则的剧烈跳跃运动，其中180°畴壁位移产生的磁巴克豪森噪声信号最强[21]。工业上，基于磁巴克豪森噪声信号的无损检测技术常用于表征零部件的晶粒尺寸、硬度和残余应力等性能。
图 1 基于磁滞回线的微磁检测技术示意
磁导率是表征材料磁通能力的物理量，其中磁感应强度B与磁场强度H的比值称为绝对磁导率。显然，磁导率是与磁场强度有关的函数，并与磁矩旋转和畴壁运动关系密切。如图1所示，磁化曲线的局部小磁滞回线还包含另外一种增量磁导率（MIP）信息，其大小可由式（1）表示[10]
�Δ=1�0Δ�Δ�(1)式中：μ0为真空磁导率；ΔB为磁感应强度；ΔH为交变磁场强度。只有当ΔH足够小时，才能检测出增量磁导率信号。
在外磁场作用下，增量磁导率信号对铁磁材料的微观结构变化非常灵敏，同样可以用于材料机械性能和残余应力检测。铁磁材料在交变磁场中或者在磁场中运动时，内部会产生闭合的感应电流，称之为涡流，其密度和分布与材料的固有特性密切相关。对于涡流检测来说，信噪比一定时，信号的频带宽度越大，其传输的信息量也越大。通过抑制不同因素的干扰，将多频技术应用于涡流检测，可同时检测材料的多个机械性能参数，即多频涡流技术（MFEC）[22]。通常来说，铁磁材料的导磁性能与磁场强度相关，同样可作为其机械性能检测的关键因素。通过采集材料表面切向磁场强度信号的畸变特性及高次谐波成分，可实现切向磁场强度谐波分析（HATMF），得到磁场强度非线性变化特性，进而用于表征材料的机械性能。当然，该技术受频率、磁场强度和传感器尺寸影响较大，但相比于磁巴克豪森噪声信号能检测到材料内更大深度的磁特性。常见的微磁参数特征值如表1所示，利用这些微磁参数融合可实现铁磁构件微观组织、机械性能和残余应力的综合评价[23]。
Table 1. 常见的微磁参数特征值
微磁检测技术特征值影响因素磁巴克豪森噪声均值、最大幅值、振铃数、均方根值、包络线宽度和剩磁点幅值磁畴壁跳跃和磁矩转向增量磁导率最大幅值、均值、剩磁点幅值和包络线宽度磁畴结构、磁化过程和畴壁运动切向磁场强度谐波振幅、相位、振幅之和和畸变因子磁化频率、磁场强度和传感器多频涡流阻抗实部、虚部、幅值和相位激励频带和数量磁滞回线矫顽力和剩磁不可逆磁化过程选用容器管道广泛采用的45钢作为试验材料，其化学成分和主要力学性能如表2所示。其微观组织如图2所示，可看出45钢主要由铁素体和珠光体构成，相对比率约为3∶7。
Table 2. 试验材料的化学成分与力学性能
项目化学成分（质量分数）/%σ0.2/MPaσb/MPaCSiMnPSCrNiMoCu参数0.460.250.570.0120.0070.020.0090.000 50.021309620图 2 45钢的微观组织形貌
根据国家标准GB/T 6398—2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》，加工了图3所示的U型缺口试件，厚度为3 mm。试件中的缺口半径为0.5 mm，主要用于预先设定断裂的位置，加速疲劳试验进程。磁特性测量点位于试件中央，用于疲劳损伤在线监测。试件表面打磨光滑，且夹持端尺寸与试验机卡盘尺寸相当，以确保受到均匀的拉伸载荷。试验开始前，对所有试件进行残余应力消除处理。
图 3 带缺口疲劳试件尺寸示意
试件低周疲劳损伤在线监测装置如图4所示，其中恒定振幅的拉伸-拉伸疲劳试验采用MTS 370 Landmark®型电液伺服液压系统完成，最大载荷为100 kN，并且动/静态误差不超过±0.5%；应力比均为0.1，加载频率为10 Hz。采用中国特种设备检测研究院自主研发的磁多参数融合检测系统对试件的疲劳损伤进行在线监测，其探头结构示意如图5所示，该系统集成了磁巴克豪森噪声、增量磁导率、切向磁场谐波、多频涡流和磁滞回线等测量功能。探头首先基于激励信号对材料表面进行磁化，然后拾取不同的磁检测原始信号，经滤波等信号处理后提取相应的特征值，建立其与材料性能指标之间的对应关系，综合分析微观组织或应力状态变化[14]。试验开始前，所有试件都进行退磁处理，以消除加工磁化的影响，然后放置到试验机上、下卡盘之间，探头对准试件的测量点位置，用橡皮筋绑牢探头确保探头与试件表面完全接触。当试件加载到预定的疲劳循环次数，暂停试验并记录下此时的磁信号，循环往复直至试件开裂。考虑到微磁参数对构件疲劳损伤的灵敏度，该研究只涉及磁巴克豪森、增量磁导率和磁滞回线等信号的处理及分析。
图 4 疲劳试验与损伤监测装置实物
图 5 探头结构示意
尽管疲劳寿命的试验数据受很多随机因素影响，具有很大的离散性，但是疲劳寿命和疲劳应力水平都服从一定的统计分布规律。当载荷条件不变，试件的疲劳性能不仅取决于材料的性质，其形状、尺寸和表面状况对疲劳强度也有重要的影响。45钢光滑和缺口试件单轴疲劳试验的S-N（应力-寿命）曲线如图6所示，可以看出低交变应力作用下，缺口试件的疲劳强度较光滑试件的下降明显。在高交变应力条件下，缺口的应力集中效应影响减弱，两种试件的S-N曲线左段有相交的趋势[24]。另一方面，相比于材料金相结构形态的随机性，缺口形式和尺寸易于精确控制，裂纹基本从缺口根部萌生，有利于降低疲劳寿命数据的离散性，更适合疲劳损伤在线监测[25]。不同循环载荷下45钢缺口试件疲劳寿命曲线如图7所示，可看出随着循环次数增大，材料呈现初始软化随后硬化的特征，并逐渐趋于稳定直至断裂[26-27]。循环载荷和局部塑性应变及区域的增加都会加速构件裂纹的萌生，从而缩短试件的疲劳寿命。为描述载荷引起的塑性应变与塑性区域大小对疲劳寿命的影响，引入载荷因子[28]即
�=(�-��)�(1-�)2�����0.2(2)式中：Lp为试件塑性区域的宽度；L为试件缺口部分的宽度；σend为临界距离终点的应力；σ0.2为材料的屈服应力；R为载荷的应力比。
图 6 典型45钢的S-N曲线
图 7 不同载荷下45钢缺口试件的变形-循环次数曲线
显然，载荷因子综合考虑了载荷引起的缺口局部塑性区域面积、变形程度和材料属性。在给定的应力比下，缺口试件的疲劳寿命与载荷因数呈线性递减关系，不受几何特征的影响[28]。
磁滞回线是反映铁磁材料磁性能变化的重要特征曲线，可通过测量构件表面的特征磁场变化来实现疲劳损伤监测和评估[29]。理论上来说，磁滞回线在试件不同的疲劳损伤阶段呈现出不同的特征，提取磁滞回线的矫顽力和剩磁参数作为特征量，并与试件加载循环变形结果进行对比，可得到疲劳损伤与矫顽力及剩磁相对值之间的对应关系。相同励磁条件下，循环载荷为244 MPa时，试件表面矫顽力和剩磁随循环次数的变化曲线如图8，9所示。可以看出起始阶段（N≤10 000次），受应力循环响应影响，试件塑性变形不明显，磁性能略有下降；随着循环次数增加（10 00090 000次），微裂纹开始在缺口处形核和扩展，损伤累积到达断裂前的临界应力-变形状态，此时磁性能发生突降，矫顽力和剩磁均大幅度减小，断裂随之发生。不同疲劳载荷下试件表面磁特性随循环次数的变化曲线如图10所示，可以看出随着载荷增大，矫顽力和剩磁对循环次数基本呈现类似的变化模式。总体而言，铁磁材料的磁特性与疲劳损伤之间存在复杂的相互作用，这种振荡下行的变化模式与施加的载荷、微观结构变化以及磁畴的重新排列等因素密切相关[30]。图 8 不同循环次数下缺口试件矫顽力的变化曲线
图 9 不同循环次数下缺口试件剩磁的变化曲线
图 11 不同循环次数下缺口试件磁巴克豪森噪声特征值的变化趋势
图 13 不同循环次数下缺口试件增量磁导率特征值的变化曲线
图 14 不同载荷对缺口试件增量磁导率特征值的影响示意
从物理学上讲，循环载荷的作用下钢构件疲劳破坏是微观结构变化的累积过程，包括位错滑移、微空洞聚合和微裂纹扩展等。从力学上讲，疲劳破坏是宏观缺陷的产生与扩展过程。尽管疲劳损伤程度随着循环次数增加而增加，但损伤累积是一个长期缓慢的发展过程。典型疲劳过程缺口试件饱和分解切应力与分解塑性切应变的关系曲线如图15所示[37]，循环载荷下的疲劳断裂过程可大致分为以下3个阶段。第一阶段：缺口处局部应力集中导致位错聚集，位错密度快速增加；随着疲劳损伤进一步发展，材料出现循环软化-硬化现象，尽管损伤范围有所扩大，但总的位错增殖逐渐减小，趋于饱和，此时塑性切应变γpl-12可认为是形成疲劳裂纹的门槛值；第二阶段：局部塑性变形发展进入缓慢状态，位错增殖与湮灭达到动态平衡，位错密度整体几乎稳定不变，但晶粒滑移带经长时间累积后逐渐演变为微裂纹，很快即将进入扩展阶段，塑性切应变γpl-23认为是微观裂纹扩展为宏观裂纹的分界点；第三阶段：更大的塑性变形使位错组态发生重大改变，形成胞状或迷宫态位错；微裂纹快速扩展形成宏观裂纹，直至试件最终断裂。根据微磁学理论，铁磁材料内部的疲劳损伤演化过程对磁畴运动特性有着重要影响，如微观结构变化产生的应力场会阻碍磁畴壁移动和磁矩转向，微裂纹对畴壁移动也会有较大阻力[38]。
图 15 疲劳过程试件饱和切应力与塑性切应变的关系曲线
循环应力为244 MPa时增量磁导率Mean特征值的变化趋势如图16所示，可见，不同程度的疲劳损伤对增量磁导率信号的作用规律略有不同，但总体上来看，缺口试件的磁信号变化特征同样分为3个阶段：第一阶段（≤10.8%疲劳寿命），位错密度增加，材料微观结构变化剧烈，磁化能力增强，但受循环软硬化影响，磁信号均出现一定的波动；第二阶段（10.8%~86.13%疲劳寿命），位错密度相对稳定，材料微观结构变化缓慢，磁信号呈企稳态势；第三阶段（>86.13%疲劳寿命），“高阶”位错组态（迷宫、胞和墙）和裂纹形成，材料表面出现漏磁场，磁导率急剧降低，磁场强度的变化率加大，磁信号在94.2%疲劳寿命处出现明显的拐点，增量磁导率特征值即将发生突跃[38-39]。其中，Mean零值线大体对应于磁信号拐点，其可作为试件疲劳断裂前的预警信号，从而为铁磁材料疲劳寿命预测提供了一种新的思路[40]。
图 16 循环应力为244 MPa时增量磁导率Mean特征值的变化趋势
通过微磁多参量无损检测技术对45钢缺口试件疲劳损伤扩展全过程进行综合监测，结合磁信号参数分析，研究了交变载荷下试样表面磁参量特征值的变化规律，以实现对裂纹扩展程度的准确监测。尽管磁滞、磁巴克豪森噪声和增量磁导率等特征参量可以反映试样疲劳损伤初期的演变过程，但由于宏观裂纹的出现，最后阶段的磁信号特征参量会发生突变。经对比分析，增量磁导率参量对疲劳裂纹萌生及扩展的灵敏度最高，其Mean特征值可预测最后的疲劳断裂。这一结论为以后工程材料或结构疲劳寿命预测提供了一种新的思路。
来源：小玉看科技
