專利名稱：用金屬磁記憶檢測技術(shù)確定管道焊接裂紋應(yīng)力集中的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用金屬磁記憶檢測技術(shù)確定管道焊接裂紋應(yīng)力集中的方法，屬于確定管道焊接裂紋尖端應(yīng)力集中的技術(shù)。
背景技術(shù)：
焊接是一個非平衡的過程，經(jīng)過焊接的結(jié)構(gòu)必然會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，從而會在某些局部位置造成應(yīng)力集中，因此在高溫、高壓、高載荷條件下運行的設(shè)備和結(jié)構(gòu)由于各種應(yīng)力集中導(dǎo)致的破壞問題相當(dāng)突出。如何對設(shè)備和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中進行定量化的測量一直是無損檢測所關(guān)注的重大問題。
要對設(shè)備和結(jié)構(gòu)某一部位的應(yīng)力集中進行測量，首先必須測定該部位的應(yīng)力分布情況。我們知道，材料的某些物理量在應(yīng)力場的作用下會發(fā)生變化，大多數(shù)的無損應(yīng)力測量技術(shù)是通過測量這些物理量的變化，間接地計算出物體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。目前，工業(yè)上常用的應(yīng)力測量技術(shù)主要有X射線、超聲波以及磁力方法。X射線法只能測定金屬的表面應(yīng)力，另外X射線對人體有害，必須采取有效的防護措施才能進行測量；超聲波法雖然可以測定材料的內(nèi)部應(yīng)力，但是它對檢測人員的技術(shù)要求水平很高，人為誤差較大；在磁力方法中，比較成熟的的有Barkhausen發(fā)射法和壓磁法，他們對被測對象檢測點的表面粗糙度和平面度都有較高的要求。
金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種新型的無損檢測方法，屬于弱磁信號磁力測定方法的一種。磁記憶信號反應(yīng)的是工件在地磁場環(huán)境中，由于應(yīng)力的作用而在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的自有漏磁場。這種自有漏磁場的產(chǎn)生是由于鐵磁工件在應(yīng)力集中和變形區(qū)的作用下引起磁狀態(tài)的不可逆變化造成的，與其它人工磁化而產(chǎn)生的漏磁場有本質(zhì)的區(qū)別，它更能真實地反映工件內(nèi)部應(yīng)力的作用情況。
金屬磁記憶效應(yīng)是指鐵磁性材料在承載情況下，其應(yīng)力和變形集中區(qū)域受地磁場激勵發(fā)生的具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，從而在該區(qū)域產(chǎn)生的自有漏磁場。利用金屬磁記憶檢測儀可以檢測到這個自有漏磁場的法向分量。該漏磁場的法向分量反映了焊接裂紋內(nèi)部應(yīng)力集中的程度，因此可以通過金屬磁記憶檢測技術(shù)測量焊接裂紋處應(yīng)力集中的大小。關(guān)于采用金屬磁記憶原理測定焊接裂紋內(nèi)部應(yīng)力集中的檢測方法目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用金屬磁記憶檢測信號評價管道焊接裂紋尖端應(yīng)力集中的方法，利用該方法可以對焊接裂紋尖端應(yīng)力集中進行定量的評價。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。采用金屬磁記憶檢測儀對管道焊縫進行檢測，可以得到金屬磁記憶信號。所述的金屬磁記憶檢測儀包括磁感應(yīng)強度傳感器、溫度傳感器、長度傳感器、以及濾波、放大電路組成。利用該曲線對管道焊縫的應(yīng)力集中狀態(tài)進行評價，其特征在于包括以下過程1、將利用金屬磁記憶檢測儀測得的磁記憶信號數(shù)字化，生成計算機可以直接讀取的文本文件，并存儲到計算機中。
2、依據(jù)磁場的高斯定律 確定管壁內(nèi)部應(yīng)力與金屬磁記憶信號反應(yīng)的自有漏磁場之間的關(guān)系。結(jié)合管道為柱體的特點，將高斯定律寫成柱坐標(biāo)的形式，整理后可以得到Bρ=-ρ(∂Bθ∂lθ+∂Bz∂z)----(1)]]>其中Bρ為徑向的磁感應(yīng)強度；Bθ為切向的磁感應(yīng)強度，Bz為z向的磁感應(yīng)強度，ρ為管道的公稱半徑，單位mm；lθ為任意弧度θ對應(yīng)的弧長，單位rad。在管壁內(nèi)部將式(1)積分可得∫R-δ2R+δ2Bρdρ=-∫R-δ2R+δ2ρ(∂Bθdlθ+∂Bz∂z)dρ----(2)]]>整理后得到Bρ=-R(∂Bθ∂lθ+∂Bz∂z)----(3)]]>在管道的表面區(qū)段上式(3)取積分可得
-∫02πRdlθ∫z1z2Bρdz=R(∫z1z2dz∫02πR∂Bθ∂lθdlθ+∫02πRdlθ∫z1z2∂Bz∂zdz)]]>=∫02πRdlθ(R∫z1z2∂Bz∂z)----(4)]]>式中Bθ|02πR=0,]]>原因是同磁場圓周分量的合數(shù)由于圓周的任意積分圍道的閉合及圍道起點和終點處磁場量值的重合而消失。
寫成有限小差數(shù)比的形式為BP=-RΔBzΔz----(5)]]>利用漏磁場與應(yīng)力變化量Δσ之間的線性關(guān)系Hp=λHμ0Δσ,]]>帶入式(5)可以得到Δσ=-μ0λHRHPΔz----(6)]]>其中Δσ為檢測部位應(yīng)力的變化量，單位MPa；λH為磁彈性效應(yīng)的不可逆分量，其數(shù)值與被測材料有關(guān)，對于確定的材料，可以用實驗的方法經(jīng)最小二乘法確定。μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0＝4π×10-7H/m；Hp為金屬磁記憶檢測信號，也即漏磁場強度的法向分量，單位A/m，R為管道的外徑，單位mm，ΔZ為磁記憶檢測設(shè)備的探頭的取樣長度，單位mm。
3、因為當(dāng)產(chǎn)生焊接裂紋時，裂紋的尖端會存在非常嚴(yán)重的應(yīng)力集中，也就是說，在裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力的變化值是最大的，定義這個應(yīng)力變化的最大值作為焊接裂紋尖端應(yīng)力集中程度的一種度量。
設(shè)檢測段的應(yīng)力變化量的最大值為σmax，那么這個最大值就可以表示裂紋尖端的應(yīng)力集中，σmax=max{Δσ}=max{-μ0λHRHPΔz}----(7).]]>本發(fā)明的優(yōu)點在于可以對管道中焊接裂紋尖端的應(yīng)力集中程度進行定量的評價，從而實現(xiàn)對在役管道運行的可靠性進行安全評估。


圖1為本發(fā)明所采用金屬磁記憶檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為實現(xiàn)本發(fā)明的計算流程圖；圖3為采用金屬磁記憶檢測儀測得的實施例中序號為1的磁記憶信號曲線。
具體實施例方式
利用TSC-1M-4型金屬磁記憶檢測儀對材質(zhì)為X65管線鋼焊接鋼管的焊接接頭進行現(xiàn)場檢測，鋼管的幾何尺寸為Φ468×8mm。對9條含有焊接裂紋的焊縫進行檢測后，按照本發(fā)明的計算流程圖進行計算，得到了每條焊接裂紋尖端的應(yīng)力集中值，見表1。為了與計算結(jié)果對比，后采用小孔法對裂紋尖端的應(yīng)力集中進行了測量，測量值如表1所示。
表1 裂紋尖端應(yīng)力集中的計算值與實測值比較

從表中數(shù)據(jù)可以看出，實測值與計算值結(jié)果的誤差小于15％，這說明利用本發(fā)明對焊接裂紋尖端的應(yīng)力集中進行無損確定是準(zhǔn)確可靠的。
權(quán)利要求
1.一種利用金屬磁記憶檢測技術(shù)確定管道焊接裂紋應(yīng)力集中的方法，該方法采用金屬磁記憶檢測儀對管道焊縫進行檢測，可以得到金屬磁記憶信號，所述的金屬磁記憶檢測儀包括磁感應(yīng)強度傳感器、溫度傳感器、長度傳感器、以及濾波、放大電路組成。利用該曲線對管道焊縫的應(yīng)力集中狀態(tài)進行評價，其特征在于包括以下過程1)將利用金屬磁記憶檢測儀測得的磁記憶信號數(shù)字化，生成計算機可以直接讀取的文本文件，并存儲到計算機中；2)依據(jù)磁場的高斯定律 確定管壁內(nèi)部應(yīng)力與金屬磁記憶信號反應(yīng)的自有漏磁場之間的關(guān)系，結(jié)合管道為柱體的特點，將高斯定律寫成柱坐標(biāo)的形式，整理后可以得到Bρ=-ρ(∂Bθ∂lθ+∂Bz∂z)---(1)]]>其中Bρ為徑向的磁感應(yīng)強度；Bθ為切向的磁感應(yīng)強度，Bz為z向的磁感應(yīng)強度，ρ為管道的公稱半徑，單位mm；lθ為任意弧度θ對應(yīng)的弧長，單位rad，在管壁內(nèi)部將式(1)積分可得∫R-δ2R+δ2Bρdρ=-∫R-δ2R+δ2ρ(∂Bθdlθ+∂Bz∂z)dρ---(2)]]>整理后得到Bρ=-R(∂Bθ∂lθ+∂Bz∂z)---(3)]]>在管道的表面區(qū)段上式(3)取積分可得-∫02πRdlθ∫z1z2Bρdz=R(∫z1z2dz∫02πR∂Bθ∂lθdlθ+∫02πRdlθ∫z1z2∂Bz∂zdz)]]>=∫02πRdlθ(R∫z1z2∂Bz∂z)---(4)]]>式中Bθ|02πR=0,]]>原因是同磁場圓周分量的合數(shù)由于圓周的任意積分圍道的閉合及圍道起點和終點處磁場量值的重合而消失，寫成有限小差數(shù)比的形式為BP=-RΔBzΔz---(5)]]>利用漏磁場與應(yīng)力變化量Δσ之間的線性關(guān)系Hp=λHμ0Δσ,]]>帶入式(5)可以得到Δσ=-μ0λHRHPΔz---(6)]]>其中Δσ為檢測部位應(yīng)力的變化量，單位MPa；λH為磁彈性效應(yīng)的不可逆分量，其數(shù)值與被測材料有關(guān)，對于確定的材料，可以用實驗的方法經(jīng)最小二乘法確定，μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0＝4π×10-7H/m；Hp為金屬磁記憶檢測信號，也即漏磁場強度的法向分量，單位A/m，R為管道的外徑，單位mm，ΔZ為磁記憶檢測設(shè)備的探頭的取樣長度，單位mm；3)因為當(dāng)產(chǎn)生焊接裂紋時，裂紋的尖端會存在非常嚴(yán)重的應(yīng)力集中，也就是說，在裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力的變化值是最大的，定義這個應(yīng)力變化的最大值作為焊接裂紋尖端應(yīng)力集中程度的一種度量；設(shè)檢測段的應(yīng)力變化量的最大值為σmax，那么這個最大值就可以表示裂紋尖端的應(yīng)力集中，σmax=max{Δσ}=max{-μ0λHRHPΔz}---(7).]]>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用金屬磁記憶檢測技術(shù)確定管道焊接裂紋應(yīng)力集中的方法，屬于確定管道焊接裂紋尖端應(yīng)力集中的技術(shù)。該方法的過程包括將金屬磁記憶檢測儀測得的磁記憶信號數(shù)字化，生成計算機可以讀取的文件，并存儲到計算機中；根據(jù)磁場高斯定律確定管壁內(nèi)部應(yīng)力與金屬磁記憶信號反應(yīng)的自有漏磁場之間的關(guān)系；產(chǎn)生焊接裂紋時，裂紋的尖端會存在非常嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成該點應(yīng)力變化最大，定義這個應(yīng)力變化的最大值作為焊接裂紋尖端應(yīng)力集中程度的一種度量。本發(fā)明的優(yōu)點在于可以對管道中焊接裂紋尖端的應(yīng)力集中程度進行定量的評價，從而實現(xiàn)對在役管道運行的可靠性進行安全評估。
文檔編號B23K31/12GK1793894SQ200510122190
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日
發(fā)明者李午申, 白世武, 邸新杰, 梁志芳, 劉方明 申請人:天津大學(xué)