陳健飛，張茜云，劉海波，江文軍,王安泉，徐忠文，周先軍

(1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,青島 266580;3.大唐華創(chuàng)風(fēng)能有限公司研發(fā)部,青島 266400)

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基于有限元分析的磁記憶關(guān)聯(lián)模型試驗(yàn)

陳健飛1，張茜云2，劉海波1，江文軍1,王安泉1，徐忠文3，周先軍2

(1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,青島 266580;3.大唐華創(chuàng)風(fēng)能有限公司研發(fā)部,青島 266400)

利用萬(wàn)能試驗(yàn)壓力機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，使用應(yīng)變檢測(cè)儀與磁記憶檢測(cè)儀檢測(cè)拉伸試件應(yīng)力及磁記憶信號(hào)；基于拉伸試件的ANSYS有限元分析結(jié)果，分析了磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp信號(hào)過(guò)零點(diǎn)與磁場(chǎng)梯度特征值，判斷應(yīng)力集中情況，確定了Q245R鋼等六種材料拉伸試件應(yīng)力集中磁場(chǎng)梯度預(yù)警值；綜合應(yīng)變檢測(cè)、仿真模擬結(jié)果與磁場(chǎng)梯度預(yù)警值，建立了六種材料磁記憶檢測(cè)的應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型。

磁記憶檢測(cè)；應(yīng)力集中；過(guò)零點(diǎn)；磁場(chǎng)梯度

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)興起的一種新的無(wú)損檢測(cè)方法,它可以確定被檢測(cè)對(duì)象上以應(yīng)力集中為特征的危險(xiǎn)部位,能夠?qū)﹁F磁性構(gòu)件進(jìn)行早期診斷[1-3]。通常情況下檢測(cè)人員根據(jù)磁記憶檢測(cè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)判斷應(yīng)力集中位置，而試驗(yàn)表明不是所有的應(yīng)力集中位置都有金屬磁記憶檢測(cè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象,信號(hào)過(guò)零點(diǎn)位置隨著施加載荷的增加向應(yīng)力集中位置移動(dòng),而磁場(chǎng)梯度會(huì)隨著應(yīng)力集中程度的增大而增大，所以僅用磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為特征來(lái)判斷應(yīng)力集中位置容易產(chǎn)生誤判[4]。筆者對(duì)Q245R鋼等六種材料平板拉伸試件進(jìn)行不同載荷下的磁記憶特征值試驗(yàn),并用ANSYS有限元分析，得出試件應(yīng)力集中磁場(chǎng)梯度預(yù)警值，建立了磁場(chǎng)梯度與應(yīng)力關(guān)聯(lián)模型。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要有Q245R鋼、Q235鋼、Q345鋼、15CrMo鋼、35CrMo鋼、0Cr18Ni9(304)鋼，為便于加載過(guò)程中的磁記憶檢測(cè)，基于標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)試件平行長(zhǎng)度230 mm，寬度40 mm，倒角30 mm，厚度4 mm，每種材料試件3件，共18件，在加工過(guò)程中均已進(jìn)行高溫退磁處理。

1.2 試驗(yàn)方法 使用WEW-300液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按GB/T 228-2010《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，整個(gè)拉伸過(guò)程分為初始階段、彈性階段、塑性階段、瀕臨破壞階段和斷裂階段。試件由彈性階段加載至塑性階段時(shí)，試件變化不大；繼續(xù)加載至瀕臨破壞階段時(shí)，試件出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直至最終斷裂，斷裂位置約為試件的中間位置。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中使用俄羅斯動(dòng)力診斷公司生產(chǎn)的TSC-4M-16型應(yīng)力集中磁記憶檢測(cè)儀與DH-5921型動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行磁記憶檢測(cè)與應(yīng)變檢測(cè)(如圖1所示)，記錄相應(yīng)的應(yīng)變值與磁記憶信號(hào)，便于以后分析。

圖1 拉伸試驗(yàn)中磁記憶檢測(cè)過(guò)程

圖2 無(wú)缺陷Q245R鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)分析 根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試件的應(yīng)力變化情況，得出材料為Q245R鋼的拉伸試件在載荷為33 kN時(shí)達(dá)到屈服強(qiáng)度275 MPa，在載荷為57.5 kN時(shí)達(dá)到強(qiáng)度極限479 MPa。利用ANSYS有限元分析數(shù)據(jù)，繪制測(cè)試應(yīng)力、模擬應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖3為無(wú)缺陷的Q245R鋼的應(yīng)力應(yīng)變誤差曲線，拉伸試件有限元仿真模擬應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值誤差在10%以內(nèi)，結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了有限元仿真模擬的有效性[5]，確定了Q245R鋼拉伸試件達(dá)到屈服與斷裂的載荷分別為33 kN與57.5 kN。同步使用磁記憶檢測(cè)儀分別檢測(cè)試驗(yàn)前、拉伸試驗(yàn)加載過(guò)程中、斷裂后試件的磁場(chǎng)分布狀況。

圖3 無(wú)缺陷Q245R鋼的應(yīng)力應(yīng)變誤差曲線

2.2 磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1Hp過(guò)零點(diǎn)分析

試件加工過(guò)程中已進(jìn)行高溫退磁處理(達(dá)到材料的居里溫度)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)之前的磁記憶檢測(cè)信號(hào)在零線上100 A·m-1左右，較為純凈。圖4表示無(wú)載荷作用的拉伸試件磁記憶信號(hào)存在明顯過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象，過(guò)零點(diǎn)位置出現(xiàn)在試件的中間位置；由于儀器本身磁場(chǎng)補(bǔ)償值不同，使得漏磁場(chǎng)強(qiáng)度差為30～50 A·m-1。試件拉伸過(guò)程中，彈性范圍內(nèi)按照速率60 MPa·s-1進(jìn)行加載，塑性范圍內(nèi)按照速率4 MPa·s-1進(jìn)行加載，得到不同載荷下整個(gè)拉伸過(guò)程試件的磁記憶信號(hào)(如圖5所示)。由圖5可知不同載荷作用下，整個(gè)拉伸過(guò)程試件的磁記憶信號(hào)中間位置都會(huì)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，載荷不同使得過(guò)零點(diǎn)位置不同，導(dǎo)致過(guò)零點(diǎn)位置漂移[6]，漂移距離為45 mm。

圖4 無(wú)載荷時(shí)試件的磁記憶信號(hào)

圖5 拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試件磁記憶信號(hào)

2.2.2 磁場(chǎng)梯度預(yù)警值分析

排除圖5中末端干擾信號(hào)后，可發(fā)現(xiàn)整個(gè)拉伸過(guò)程中的磁場(chǎng)梯度變化不大，只在過(guò)零點(diǎn)漂移段上出現(xiàn)磁場(chǎng)梯度的波峰值，所以磁場(chǎng)梯度預(yù)警值應(yīng)出現(xiàn)在Hp過(guò)零點(diǎn)漂移段內(nèi)。

圖6 試件屈服前磁記憶信號(hào)分布

由圖6可知，在材料屈服極限之前,隨著載荷的不斷加大,磁場(chǎng)強(qiáng)度H的最大值不斷增加，在屈服極限附近達(dá)到最大，屈服極限之后有減小的趨勢(shì)，且SC(Surface-Graph平面圖)應(yīng)力集中線較為平緩且無(wú)明顯尖角[7]，由此說(shuō)明此階段無(wú)明顯應(yīng)力集中；進(jìn)入塑性增強(qiáng)階段后磁場(chǎng)強(qiáng)度有所減小，應(yīng)力集中線出現(xiàn)明顯尖角(如圖7所示)，應(yīng)力集中線尖角位置位于22～64 mm，距離拉伸試件夾頭外端160～200 mm，正好處于斷裂位置，可推斷應(yīng)力集中線尖角位置就是拉伸試件的斷裂位置。若將塑性增強(qiáng)階段設(shè)為預(yù)警階段，則存在一定危險(xiǎn)，所以考慮將屈服階段設(shè)為預(yù)警階段，將屈服階段過(guò)零點(diǎn)附近磁場(chǎng)梯度最大值設(shè)為預(yù)警值。屈服載荷33 kN附近磁場(chǎng)梯度值為6.5 A·m-1·mm-1，所以初步確定Q245R鋼磁場(chǎng)梯度預(yù)警值為6.5 A·m-1·mm-1。采用同樣的處理方式，得到其他五種材料的磁場(chǎng)梯度預(yù)警值(如表1所示)。

圖7 試件塑性增強(qiáng)階段磁記憶信號(hào)分布

材料磁場(chǎng)梯度預(yù)警值/(A·m-1·mm-1)Q245R鋼6．5Q235鋼4Q345鋼4．515CrMo鋼335CrMo鋼60Cr18Ni9(304)鋼7．5

2.3 應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型

前述分析已驗(yàn)證了拉伸試件有限元仿真模擬的準(zhǔn)確性，利用ANSYS模擬計(jì)算各載荷作用下的應(yīng)力值。將塑性增強(qiáng)頸縮段的磁記憶數(shù)據(jù)、拉斷后的磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)剔除，運(yùn)用塑性增強(qiáng)階段之前的磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取磁記憶曲線中過(guò)零點(diǎn)附近磁場(chǎng)梯度最大值作為磁場(chǎng)梯度值，繪制不同載荷下磁場(chǎng)梯度與應(yīng)力曲線。圖8為Q245R鋼的磁場(chǎng)梯度-應(yīng)力曲線。

圖8 Q245R鋼磁場(chǎng)梯度-應(yīng)力曲線

圖9 Q245R鋼屈服階段應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型

圖10 Q245R鋼塑性增強(qiáng)階段應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型

采用同樣試驗(yàn)方法檢測(cè)Q235鋼、Q345鋼、15CrMo鋼、35CrMo鋼、0Cr18Ni9鋼五種材料的應(yīng)變與磁記憶檢測(cè)信號(hào)，分別得出其他五種材料的磁場(chǎng)梯度預(yù)警值，并繪制應(yīng)力磁場(chǎng)梯度曲線，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)六種材料的應(yīng)力磁場(chǎng)梯度曲線走勢(shì)基本類似(后述分析以Q245R鋼為例)，曲線波峰(預(yù)警值)與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)。材料達(dá)到屈服點(diǎn)后試件進(jìn)入危險(xiǎn)階段，而屈服強(qiáng)度附近出現(xiàn)磁場(chǎng)梯度的波峰值，所以將此處磁場(chǎng)梯度作為預(yù)警值較為安全。為便于處理，將圖8中應(yīng)力磁場(chǎng)梯度曲線以屈服點(diǎn)為分界點(diǎn)分兩段處理，屈服點(diǎn)前呈現(xiàn)二次曲線(如圖9所示)，屈服后呈現(xiàn)直線關(guān)系(如圖10所示)，擬合得到如下所示的屈服階段與塑性增強(qiáng)階段的應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型。

屈服階段應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型為：

(1)

塑性增強(qiáng)階段應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型為：

(2)

式中：系數(shù)a、b、c、d、e在材料不同時(shí)也不同。材料為Q245R鋼時(shí)，a=-14.567、b=181.8、c=-274.13、d=3.9852、e=361.45，其余五種材料的系數(shù)可以采用相同的方法得到。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)判斷檢測(cè)位置磁場(chǎng)梯度是否超過(guò)預(yù)警值，來(lái)判定構(gòu)件是處于材料的屈服階段還是塑性增強(qiáng)階段，基于所屬階段應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型，計(jì)算載荷作用下構(gòu)件應(yīng)力值，通過(guò)應(yīng)力值大小判斷應(yīng)力集中程度，有效縮短磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高檢測(cè)分析效率，同時(shí)可采用ANSYS有限元仿真模擬推斷高溫、高壓等工況下磁記憶檢測(cè)的磁場(chǎng)梯度，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供理論指導(dǎo)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)磁記憶檢測(cè)發(fā)現(xiàn)載荷不同時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)零點(diǎn)的位置不同，載荷能夠?qū)е铝泓c(diǎn)漂移，使過(guò)零點(diǎn)向應(yīng)力集中位置移動(dòng)；綜合分析后取屈服載荷點(diǎn)處磁場(chǎng)梯度值作為預(yù)警值，Q245R鋼的磁場(chǎng)梯度預(yù)警值為6.5 A·m-1·mm-1。并采用相同方法確定了Q235鋼、Q345鋼、15CrMo鋼、35CrMo鋼、0Cr18Ni9鋼五種材料的磁場(chǎng)梯度預(yù)警值。基于拉伸試件ANSYS有限元仿真模擬與磁場(chǎng)梯度預(yù)警值，建立了六種材料的應(yīng)力磁場(chǎng)梯度關(guān)聯(lián)模型。

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Experiment of Magnetic Memory Association Model Based on Finite Element Analysis

CHEN Jian-fei1, ZHANG Qian-yun2, LIU Hai-bo1, JIANG Wen-jun1, WANG An-quan1, XU Zhong-wen3, ZHOU Xian-jun2

(1.Technology Testing Center of Shengli Oilfield, Dongying 257000， China;2.Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;3.R&D Department of Datang China Creative Wind Electricity Ltd., Qingdao 266400, China)

Stress and stress concentration of tensile specimens was detected by strain detector and magnetic memory testing under load that was got from universal testing presses based on the results of ANSYS finite element analysis. The characteristics of magnetic memory signal based on zero-crossing point ofHpand the gradient of MMM signal were analyzed for the evaluation of the extent of stress concentration. The warning value of the stress concentration decided by the gradient for six types of materials of Q245R was determined. The magnetic memory association models of six kinds of material that can determine the stress concentration state of the component and suit for magnetic memory testing on site were found based on the integration of strain detection, simulation results and the warning value of MMM gradient.

Magnetic memory testing; Stress concentration; Zero-crossing point; MMM gradient

2016-02-23

陳健飛(1979-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事無(wú)損檢測(cè)、油田地面工程專用設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)和相關(guān)科研工作。

張茜云，E-mail:1204973575@qq.com。

10.11973/wsjc201611008

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0037-04