0 引言
现场作业中，井控管汇受高速携沙液的冲蚀磨损作用，处于高压和长周期的作业环境，易发生腐蚀、冲蚀和刺漏等事故[1]，对现场作业造成严重威胁。因此研究常用管材35CrMo钢在高压下的冲蚀磨损性能有重要意义。
磁记忆检测技术是一种基于应力集中引起铁磁性材料形成自有漏磁场的新型无损检测技术[2]。该检测技术具有适合管汇早期损伤诊断、对铁磁性材料应力集中敏感、对检测表面要求低、无需耦合剂及专门磁化设备等优点[3]。刘迪等[4]研究了磁记忆信号特征参量和油管缺陷尺寸之间的关系，分别定量描述了信号梯度峰峰值及峰宽值与刻伤尺寸之间的关系。齐立娟等[5]定量研究了磁记忆信号特征参量与套管炮眼孔径的关系，得出了不同孔径炮眼与磁记忆信号特征参量的对应关系。但是，目前国内大部分学者对于磁记忆的相关研究基本停留在定性方面，以致在现场作业的缺陷诊断中缺少量化依据[6-10]。因此在利用磁记忆技术进行检测时，现有的大部分理论只能做出定性诊断，缺乏定量诊断的理论支撑。为此，笔者开展了基于磁记忆检测技术的室内试验，对整个冲蚀磨损过程中试样的冲蚀磨损程度随时间的变化进行过程划分；同时，定量研究了试样的冲蚀磨损程度与磁记忆信号特征参量之间的关系。
1 试验冲蚀试验的冲蚀结果及试样表面的磁记忆信号与冲蚀速度、角度、喷嘴尺寸等有直接关系。笔者主要研究处理后的磁记忆信号表征冲蚀磨损量和冲蚀率的方法，即在一定条件下，分析定量处理后的磁记忆信号与冲蚀磨损程度的定量拟合关系。因此对试验结果有影响的冲蚀速度和角度等因素需保持恒定值。
1.1 试验装置试验装置是自制的冲蚀磨损试验机。该装置的工作原理为：按照一定比例将清水和支撑剂颗粒放入安装有搅拌电机的混砂罐中；砂浆泵将混砂液喷射到试样表面，从而对试样产生冲蚀磨损作用；混砂液喷射方向与被冲试样表面之间的夹角就是冲蚀角；液压拉伸器和拉力传感器完成拉力的施加及拉力大小的反馈，以计算试样所受应力的大小，同时具有5个通道的磁记忆传感器在试样表面扫描以采集磁记忆信号，装置详见文献[10]。
1.2 试样参照关于受拉伸应力作用试样的几何尺寸设计文献，并结合磁记忆检测的特点，避免试样台阶对磁记忆检测结果的影响，同时考虑到试样表面磁场的分布特性，笔者将35CrMo钢板切成如图 1所示的几何尺寸。35CrMo钢材的力学性能参数详见表 1。
| 拉伸强 度/MPa |
屈服强 度/MPa |
断面收缩 率/% |
硬度/ HB |
弹性模 量/GPa |
泊松比 |
| ≥985 | 835 | 45 | ≤229 | 213 | 0.286 |
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| 图 1 冲蚀磨损试样的几何尺寸图 Fig.1 Geometric dimensions of the erosion-wear sample |
1.3 试验参数
试样的拉伸应力为105 MPa，冲蚀角度为30°，冲蚀速度为30 m/s。流经喷嘴处的携砂液体积Q=vtS喷嘴，v为冲蚀速度，t为冲蚀时间，S喷嘴为喷嘴横截面积，每次试验均采用相同的喷嘴，故S喷嘴相等，需保证携砂液总量一定。分别在0、30、60、90、120、150、180、210、240和270 min时扫描采集试样表面的磁记忆信号，同时将试样取出并称量。冲蚀介质采用清水加支撑剂，支撑剂为20~40目陶粒。携砂液中水砂体积比为14%。为保证试验条件的稳定性，每次试验后都要更换新砂。
2 试验结果分析及讨论冲蚀试验前，用LP 503型上皿电子天平对试样称量，记录冲蚀前试样质量。试验中每隔30 min扫描并记录试样表面的磁记忆信号，同时将试样取出并称量，记录试样的质量损失，冲蚀试验总时间为4.5 h。
2.1 冲蚀磨损程度为了反映材料的冲蚀磨损程度，需要用参量来表征材料的冲蚀磨损性能。笔者以失重法为基础对冲蚀试验进行分析及讨论，即对被冲蚀试样在试验前、后的质量称重后，计算试验前、后失质量得到试样的冲蚀磨损量；或计算冲蚀率来评价被冲蚀试样的冲蚀磨损程度。试样冲蚀率定义为：
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(1) |
试验过程中，每冲蚀30 min将试样取出并进行3次称量取均值，最终得到试样的冲蚀磨损量及冲蚀率随时间的变化关系。试验过程中，随时间不断变化的冲蚀磨损量及冲蚀率如表 2和表 3所示。
| 冲蚀磨损量/g | 0.000 | 0.563 | 1.211 | 1.783 | 2.274 | 2.721 | 3.136 | 3.528 | 3.901 | 4.266 |
| 冲蚀时间/h | 0.0 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 |
| 冲蚀率/(mg·g-1) | 1.40×10-3 | 1.62×10-3 | 1.43×10-3 | 1.23×10-3 | 1.12×10-3 | 1.04×10-3 | 0.98×10-3 | 0.93×10-3 | 0.91×10-3 |
| 冲蚀时间/h | 0.0~0.5 | 0.5~1.0 | 1.0~1.5 | 1.5~2.0 | 2.0~2.5 | 2.5~3.0 | 3.0~3.5 | 3.5~4.0 | 4.0~4.5 |
图 2为试样的冲蚀磨损量随冲蚀时间变化的曲线。由图可知，冲蚀时间小于0.5 h时，冲蚀试样质量损耗速度较低，为冲蚀磨损孕育期；0.5~2.5 h时，随着冲蚀时间的不断增大，试样的冲蚀磨损量也不断增加，同时质量损耗速度较高；2.5 h之后，虽然试样的冲蚀磨损量也不断增加，但是质量损耗速度降低。
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| 图 2 试样的冲蚀磨损量随冲蚀时间变化的关系曲线 Fig.2 Relationship of erosion wear loss and erosion time |
图 3为试样的冲蚀率随冲蚀时间变化的曲线。由图 2和图 3可知，作为典型的塑性材料，35CrMo钢的冲蚀磨损程度随时间的变化可划分为3个过程：孕育期、加速期及稳定期。孕育期的长短表征试样从弹性变形到塑性破坏之间能够承受外加能量的程度，与材料本身的性能及粒子的冲击动能有关，是评价试样抗冲蚀性能的一个重要参考值。在本试验条件下，试样冲蚀的孕育期为0.5 h；冲蚀时间超过孕育期之后进入加速期，最大冲蚀率出现在第1.0 h时；当冲蚀时间在第3.5 h之后的时间内时，试样的冲蚀率逐步趋于稳定而达到稳定期。
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| 图 3 试样的冲蚀率随冲蚀时间变化的关系曲线 Fig.3 Relationship of erosion rate and erosion time |
2.2 磁记忆信号的处理
5通道的磁记忆传感器在试样表面的扫描区域及路径如图 4所示。图中虚线代表传感器的扫描路径，长90 mm，5条路径总宽度35 mm。
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| 图 4 5通道的磁记忆检测扫描路径及扫描区域 Fig.4 five-channel scanning path and scanningarea of magnetic memory detection |
试验过程中，每间隔30 min扫描采集试样表面的磁记忆信号，即分别在第0、30、……、270 min时采集试样表面的磁记忆信号，并分别对该磁记忆信号进行降噪和求取梯度处理，计算磁记忆信号在不同的采集时间，所有通道的信号梯度峰峰值，绘制所有通道的信号梯度峰峰值随冲蚀时间变化的关系曲线，如图 5所示。
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| 图 5 磁记忆信号的梯度峰峰值随冲蚀时间变化的关系曲线 Fig.5 Relationship of the gradient peak-peak value ofthe magnetic memory signal and erosion time |
为研究磁记忆信号的梯度峰峰值与冲蚀磨损程度的关系，将图 5中的变化关系曲线分别与图 2和图 3中的变化关系曲线进行比对，并定性地观察分析。通过观察分析可以发现，图 5中的曲线走势与图 2中的曲线走势非常相近，因此接下来对磁记忆信号的梯度峰峰值与冲蚀磨损量的相关关系进行研究。将同一信号采集时间的所有通道的信号梯度峰峰值取平均值，将其与同一时间的冲蚀磨损量之间的关系以曲线的形式表现且同时进行曲线公式的拟合，结果如图 6所示。
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| 图 6 磁记忆信号的梯度峰峰值与冲蚀磨损量拟合关系曲线 Fig.6 Fitting curve between the gradient peak-peakvalue and erosion wear loss |
通过关系曲线的拟合可以看出，这2个变量基本呈指数相关，拟合公式为
接下来对信号梯度峰峰值进行计算，即求取不同信号采集时间 (以30 min为间隔，0~270 min) 里各通道的信号梯度峰峰值之间的差值，绘制不同信号采集时间各通道的信号梯度峰峰值之间的差值随不同时间间隔的变化关系曲线，结果如图 7所示。
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| 图 7 信号梯度峰峰值之间的差值随不同时间间隔的变化关系曲线 Fig.7 Relationship between the gradient peak-peakvalue difference and various time intervals |
同样，为研究信号梯度峰峰值之间的差值与冲蚀磨损程度的关系，将图 7中的变化关系曲线分别与图 2和图 3中的变化关系曲线进行对比并定性观察分析结果发现，图 7中的曲线走势与图 3中的曲线走势非常相近。因此接下来对信号梯度峰峰值之间的差值与冲蚀率的关系进行研究分析，同时将同一时间间隔的所有通道的信号梯度峰峰值之间差值取平均值，将其与同一时间间隔的冲蚀率之间的关系以绘制曲线的形式表现，且进行曲线公式的拟合，结果如图 8所示。
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| 图 8 信号梯度峰峰值之间的差值与冲蚀率拟合关系曲线 Fig.8 Fitting curve between the gradient peak-peakvalue difference and erosion rate |
由拟合曲线可知，这2个变量基本呈正线性相关，拟合公式为y=0.016 9x+7.322 9×10-4，拟合相关系数R2=0.983 77，接近于1，说明拟合曲线基本符合实际材料35CrMo钢的冲蚀磨损规律。
试验中，试样表面不同扫描通道的失质量不同，并且各扫描通道的磁记忆信号也不同。但磁记忆信号与试样的表面形貌有直接的联系，失质量是表面形貌变化量的表征。因此通过失重法表征的冲蚀磨损量是整个试样的综合磨损量值，无需对应于磁记忆检测条带范围。通过对磁记忆信号的分析计算，可直接得出试样总体的冲蚀磨损程度。
磁记忆传感器扫描试样背面即可采集到另外一面冲蚀坑的磁记忆信号，因此在实际应用中可通过定期在线检测管汇外壁磁记忆信号，并通过对信号的分析计算及其与冲蚀磨损程度的定量关系，便可得到管汇的磨损程度及磨损速率，进而评价管道的剩余寿命，对于工程实际中的损伤检测和安全评价都有重要意义。
3 结论(1) 在试验条件下，当冲蚀时间小于0.5 h时，冲蚀试样的质量损耗速度较低，此时冲蚀磨损处于孕育期；0.5~2.5 h时，随着冲蚀时间的推移，试样冲蚀磨损量不断增加，同时试样的质量损耗速度较高；2.5 h之后，虽然试样冲蚀磨损量不断增加，但是试样的质量损耗速度降低。
(2) 材料35CrMo钢的冲蚀孕育期为0.5 h，冲蚀时间超过孕育期之后进入冲蚀加速期，最大冲蚀率出现在第1.0 h时，冲蚀时间在第3.5 h之后材料的冲蚀率逐步趋于稳定而达到冲蚀稳定期。
(3) 信号梯度峰峰值与冲蚀磨损量基本呈指数相关，拟合公式为
(4) 信号梯度峰峰值之间的差值与冲蚀率基本呈正线性相关，拟合公式为y=0.016 9x+7.322 9×10-4。试样冲蚀率可以更好地表征在某具体情况下试样被冲蚀磨损的程度，即通过对磁记忆信号的处理和分析，便可定量分析某具体情况下试样被冲蚀磨损的程度。
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