2. 中海油研究总院
2. CNOOC Research Institute Co., Ltd
0 引言
随着陆地石油和天然气勘探开发技术的不断提高,人们将目光投向了油气资源更为丰富的海洋领域,固定平台、半潜式平台及自升式平台等海洋钻井装备相继出现,钻井作业水深也由最初的不足200 m提升至目前的3 000 m以上,向深水进军已成为世界油气工业发展的必然趋势[1-3]。隔水管是连接海底井口与海面钻井平台的大直径导管系统,主要功能为引导钻具、循环钻井液、隔离海水及补偿钻井船的升沉运动等[4-5]。隔水管在运行过程中不仅受到内部油气压力作用,还要承受海流和波浪等不断变化的外部作用力。另外,钻井平台会随着海洋的运动上下浮沉,在复杂交变载荷作用下隔水管极易发生疲劳断裂。为了确保隔水管在计划寿命期内不因疲劳断裂而失效,对隔水管疲劳损伤状态进行检测就变得非常重要。
隔水管材料在疲劳过程中往往伴随着疲劳裂纹的萌生、扩展及断裂,疲劳裂纹极易在应力集中部位萌生[6-7]。现有无损检测技术(如磁粉、涡流、超声波及射线等)主要针对宏观缺陷进行检测,无法对疲劳裂纹萌生及扩展初期损伤状态进行检测。金属磁记忆检测技术是一种可以检测铁磁性材料应力集中和早期损伤的无损检测技术[8],然而目前关于金属磁记忆检测技术的疲劳裂纹检测试验研究较少,并缺少相关的疲劳裂纹磁场分布计算分析模型。
为此,笔者采用金属磁记忆检测法对隔水管用X80管线钢在疲劳裂纹萌生、扩展及断裂三个阶段的磁记忆信号进行检测,研究磁记忆检测信号随疲劳裂纹长度变化的关系,采用磁偶极子理论建立了疲劳裂纹萌生直至断裂过程的磁场分布模型,通过对比分析验证了该模型的正确性以及金属磁记忆技术应用于疲劳裂纹检测的可行性。
1 数值模型建立与求解 1.1 磁偶极子理论对于金属磁记忆检测技术,试样表面磁场分布可以用磁偶极子模型近似模拟。磁偶极子理论认为缺陷漏磁场由极性相反的偶极子产生,当铁磁性试件表面存在缺陷时,缺陷将造成材料结构不连续,磁力线从缺陷两侧泄漏,磁力线离开工件的一侧并进入到工件的另一侧时将形成很小的磁极,这些磁极可近似认为是由一对大小相等、方向相反的磁荷而构成。
依据磁偶极子模型,缺陷处产生的漏磁场由极性相反的两等量磁荷+qm和-qm产生[9-10],如图 1所示。以二维空间为例,两个异种磁荷位于缺陷的两侧,则在平面上任意一点P(x0, y0)处产生的漏磁场为:
(1) |
式中:B1为磁荷-qm在P(x0, y0)处产生的磁感应强度,B2为磁荷+qm在P(x0, y0)处产生的磁感应强度,u0为真空中的磁导率。
1.2 疲劳裂纹漏磁场磁偶极子模型基于磁偶极子理论构建了疲劳裂纹漏磁场模型,如图 2所示。缺陷处漏磁场可分为3个部分:H1、H2和H3。2(a+c)为X轴方向矩形缺陷宽度,b为Y轴方向三角形缺陷高度,2c为X轴方向疲劳裂纹尖端张开位移,d为Y轴方向疲劳裂纹长度,e为Y轴方向矩形缺陷高度。
如图 2a所示,假设矩形缺陷两侧磁荷密度均匀分布,且磁荷密度用ρ1表示,则矩形缺陷在点P(x0, y0)产生的漏磁场切向分量Hx1及法向分量Hy1为:
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(3) |
如图 2b所示,假设三角形缺陷两侧磁荷密度均匀分布,且磁荷密度用ρ2表示,则三角形缺陷在点P(x0, y0)产生的漏磁场切向分量Hx2及法向分量Hy2为:
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(5) |
如图 2c所示,假设疲劳裂纹两侧磁荷密度均匀分布,且磁荷密度用ρ3表示,则疲劳裂纹在点P(x0, y0)产生的漏磁场切向分量Hx3及法向分量Hy3为:
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(7) |
由上述分析可知,试样缺陷处漏磁场总的切向分量及法向分量可表示为:
(8) |
(9) |
由上述推导可知,在疲劳裂纹萌生阶段,裂纹尖端张开位移2c及疲劳裂纹长度d均为0,此时缺陷处的漏磁场信号主要由矩形缺陷及三角形缺陷组成。伴随着疲劳裂纹的出现及扩展,裂纹尖端张开位移2c及疲劳裂纹长度d逐渐增大,此时疲劳裂纹产生的漏磁场增大,缺陷处总磁场强度随着疲劳裂纹长度的增加而增大。
1.3 漏磁场仿真仿真参数设置如下:无疲劳裂纹时矩形缺陷宽度2a=2 mm,三角形缺陷高度b=2 mm,矩形缺陷高度e=2.5 mm,在疲劳裂纹扩展阶段仿真时保持裂纹尖端张开位移2c=0.2 mm,疲劳裂纹长度d分别选取0、2、4及6 mm,x轴方向取值范围为-20~20 mm,y轴方向与检测提离值保持一致,为1 mm,假定磁荷密度ρ1=ρ2=ρ3=0.1 Wb/m。
将上述公式及仿真参数带入MATLAB软件,得到磁场切向分量Hx及法向分量Hy随疲劳裂纹长度变化的关系曲线。
图 3为切向分量Hx随疲劳裂纹长度的变化曲线。图 4为法向分量Hy随疲劳裂纹长度的变化曲线。由图 3和图 4可以看出:磁场切向分量Hx在缺陷处具有极大值,法向分量Hy过零点且在零点两端具有极值;伴随着疲劳裂纹长度的增加,漏磁场切向分量峰值不断增大,法向分量过零点且零点两端极值增大。
2 室内检测试验 2.1 试样制备
X80管线钢由于具有较高的强度、良好的延展性以及较强的抗腐蚀性能,已广泛应用于隔水管系统中[11]。依据GB/T 6398—2017,四点弯曲疲劳试样从隔水管母材上通过机加工得到,并在试样中心位置加工V形缺口以加快疲劳裂纹的萌生。四点弯曲疲劳试样尺寸如图 5所示。四点弯曲疲劳试样V形缺口处机加工尺寸与仿真参数保持一致,试验前对试样进行退磁处理以消除试样剩磁对检测结果的影响。
2.2 试验装置及检测方法
四点弯曲疲劳试验在脉动冲击疲劳试验机上进行,脉动冲击疲劳试验机结构如图 6所示。
试验过程中最大载荷为10.7 kN,最小载荷为0 kN,载荷波形为方波,载荷频率为20 Hz。试样每经历一定循环次数的疲劳载荷作用后,将其从试样机上取下,通过CCD相机对疲劳裂纹长度进行观测,采用磁记忆检测传感器对试样表面的磁场信号进行检测,并通过数据采集卡对采集到的磁场信号进行传输及保存。上述试验过程往复循环直到试样断裂。
2.3 试验结果分析 2.3.1 疲劳裂纹长度与载荷循环次数的关系由试验结果可知,由于试样V形缺口根部存在应力集中,疲劳裂纹在载荷循环次数为3 000次时萌生,当试样疲劳循环次数达到13 000次时试样断裂,此时的疲劳裂纹长度为6.35 mm。疲劳裂纹出现后,每间隔2 000次对V形缺口根部的疲劳裂纹长度进行观测并记录,疲劳裂纹长度与载荷循环次数的关系如表 1所示。
2.3.2 磁记忆信号与疲劳裂纹长度变化关系
图 7展示了磁记忆信号切向分量Hx随疲劳裂纹长度的变化曲线。由图 7可知,当疲劳裂纹长度为0 mm时,Hx接近为一条水平直线,伴随着疲劳裂纹出现,Hx在缺陷处出现峰值,峰值伴随着疲劳裂纹长度增加而增大。试验结果表明,磁记忆信号与疲劳裂纹长度变化关系与理论计算结果保持一致。
图 8展示了磁记忆信号法向分量Hy随疲劳裂纹长度的变化曲线。由图 8可知,当疲劳裂纹长度为0 mm时,Hy接近为一条水平直线,伴随着疲劳裂纹长度增加,Hy绕着近零点旋转,且在近零点两侧具有极值,该变化趋势与理论计算结果保持一致。
由于试验前对试样进行了退磁以消除其剩磁对检测信号的影响,所以退磁后试样磁场值接近0,故在疲劳裂纹长度为0 mm时,磁记忆信号切向分量及法向分量近似为一条水平直线。而仿真结果显示,在疲劳裂纹长度为0 mm时,缺陷处磁场主要受矩形缺陷及三角形缺陷漏磁场的影响,这是疲劳裂纹长度0 mm时试验结果与仿真结果存在差异的原因。
3 试验与仿真结果对比分析 3.1 特征参数提取为深入分析磁记忆信号与疲劳裂纹长度的关系,并验证仿真结果与试验结果的一致性,提取切向分量最大值Hxmax(Hxmax=max{Hx})、法向分量峰峰值Hymax-min(Hymax-min=max{Hy}-min{Hy})作为信号特征参数。建立试验磁场信号特征参数与仿真磁场特征参数与疲劳裂纹长度关系。
3.2 特征参数与疲劳裂纹长度关系由于试样在试验前进行了退磁,故不考虑疲劳裂纹长度为0 mm时的磁场特征参数。分别提取试验结果与仿真结果磁场信号切向分量最大值及法向分量峰峰值,研究磁场特征参数随疲劳裂纹长度的变化关系。图 9与图 10分别为试验切向分量特征参数及仿真切向分量特征参数随疲劳裂纹长度的变化曲线。
由图 9和图 10可知,试验及仿真磁场信号切向分量最大值随着疲劳裂纹长度增加近似呈线性增大,仿真结果线性关系优于试验结果。
图 11与图 12分别为试验和仿真的法向分量特征参数随疲劳裂纹长度的变化曲线。
由图 11和图 12可知,试验及仿真磁场信号法向分量峰峰值随着疲劳裂纹长度增加近似呈线性增大,仿真结果线性关系优于试验结果。
4 结论(1) 基于磁偶极子理论的疲劳裂纹缺陷漏磁场仿真计算结果表明,伴随着疲劳裂纹长度的增加,磁场切向分量具有极大值,且极大值不断增大,磁场法向分量过零点,且零点两侧峰值不断增大。
(2) 磁记忆检测信号随疲劳裂纹长度变化趋势与仿真结果保持一致。仿真及试验结果表明,金属磁记忆检测技术可应用于隔水管疲劳裂纹扩展过程检测。
(3) 磁场切向分量峰值及法向分量峰峰值随着疲劳裂纹长度增加近似呈线性增大,通过提取磁记忆检测信号特征参数变化可以判定疲劳裂纹长度的变化。
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