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基于磁记忆的油气管道应力损伤检测机理及应用研究

王国庆  
【摘要】:油气管道运输具有高效率、低成本及安全可靠等优点,是能源运输的重要方式。目前全世界已建成油气输送管道已超过250万公里,而且这个数据每年仍在增长。我国地域辽阔,油气资源分布不均,油气的管道输送成为关乎国民经济和社会发展的重要产业。由于管道具有高能高压、易燃易爆、有毒有害、连续作业、链长面广、环境复杂等特点,决定了管道安全管理的重要性。石油天然气输送管道所应用的钢铁材料具有良好的强度、硬度、塑性和韧性等机械性能以及良好的铁磁性能,其发生破坏将经历由应力集中导致材料屈服进而发生塑性变形再到破坏的过程。管道在建设和使用过程中,会受到各种应力的作用,当管道局部存在缺陷或其他质量问题时,将会在局部产生应力集中,引起局部应力过大,甚至导致管道发生塑性变形或破坏。应力集中是威胁管道安全性的一个重要因素,由应力集中引起的塑性变形损伤被认为是材料的早期损伤。对管道应力集中及塑性变形的有效检测可以预判危害的发生,并可作为评价管道应力集中程度的依据,对保障管道安全意义重大。磁记忆检测方法作为一种应力检测方法已得到行业的认可,它具有设备简单、操作方便、可实现在线大范围无损检测及对设备危险的早期判断等优点。但目前针对磁记忆信号形成的机理及特征尚无统一的定论,还不能明确在各种条件下的检测信号特征。同时由于微弱的磁记忆信号亦受影响,对实验研究方法的有效性具有较高要求,很多实验方法具有一定局限性,不能有效说明磁记忆现象的真实情况,从而导致该方法在一些工程应用中的有效性受到质疑。铁磁材料的磁性来源于原子磁矩,决定于微观电子体系的运动及相互作用状态。本文从量子力学微观理论出发,以密度泛函理论为基础建立铁磁材料力磁耦合磁记忆效应理论模型,通过第一性原理研究了铁磁体系在力磁耦合过程中磁记忆信号特征,对应力损伤的磁记忆信号特征及检测机理进行深入研究。通过拉伸和管道打压实验对理论研究结果进行了验证。并开展了管道应力损伤磁记忆内检测技术的工程应用,对该检测方法的工程应用可行性和有效性进行了研究。论文对铁磁材料的力学和磁学特性进行了研究,明确了铁磁材料应力损伤形成的微观机理及磁性的微观起源。以体系微观电子密度分布函数为基础,建立铁磁材料力磁效应的量子力学密度泛函理论模型,通过第一性原理仿真软件CASTEP计算了正常铁磁晶体结构和塑性变形铁磁晶体结构两种铁磁体系在不同应力作用下的能带结构、电子态密度分布及原子磁矩。理论研究结果表明,铁磁材料在单向拉伸和三向拉伸两种应力状态下,随着应力的增大,体系能带朝远离费米能级方向移动,费米能级附近的电子分布数量减少,电子自旋态密度峰值逐渐下降,体系电子自旋间的交换相互作用程度减弱,轨道电子分布局域性增强,表明铁磁体系的磁性在应力作用下逐渐减弱。通过原子磁矩的计算定量分析了铁磁体系磁记忆信号的变化特征,得到磁记忆信号随着应力的增大逐渐减小,应力与磁信号间存在线性对应关系。当材料发生塑性变形时,磁记忆信号发生突变,信号变化特征发生改变。塑性变形铁磁体系的磁记忆信号随应力变化的斜率小于正常铁磁体系,表明材料在发生塑性变形后力磁耦合程度减弱。设计制作了不含人工缺陷及形状效应的拉伸试样和长距离实验管道,建立了材料拉伸和管道打压实验平台。实验研究了铁磁材料在单向拉伸和三向应力状态下的磁记忆信号特征,得到铁磁材料的应力与磁记忆信号的对应关系。分析了铁磁材料在应力作用下由弹性变形转变为塑性变形时,磁记忆信号的变化特征。实验研究表明,铁磁材料在地磁和应力作用下将产生磁记忆信号,材料表面得磁感应强度随应力的增大而减小,当材料屈服时,磁记忆信号发生突变,塑性变形后铁磁材料力磁耦合程度减弱,磁记忆信号随应力变化的趋势变缓。实验研究结果与理论研究结果具有一致性,验证了理论研究的正确性。以Φ1219输气管道的磁记忆应力内检测为应用背景,对油气管道应力损伤磁记忆内检测技术的工程应用进行研究。提出管道差异运行压力下的二次应力内检测方法,对检测结果进行分析和评价,对检测到的危害点进行现场开挖验证。研究结果表明了油气管道应力损伤磁记忆内检测技术工程应用的可行性和有效性。


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