基于磁弹效应的悬跨管道应力状态的移动式测量方法

技术领域

本发明涉及管道结构安全性测量领域，尤其涉及一种基于磁弹效应的悬跨管道应力状态的移动式测量方法。

背景技术

长输油气管道运行过程中常伴着极大的轴向和环向弯曲应力，随着管道服役的时间增长，管道会逐渐被应力腐蚀。管道弯曲应力来源有很多，如热屈曲变形、悬跨、地基沉降以及由外力引起的移位变形等。其中，悬跨是管道弯曲应力主要来源之一。管道悬跨常伴有弯曲应力集中现象，会显著增加管道腐蚀、老化的速度，导致管道的泄漏、破裂，带来严重的环境污染以及经济损失。目前，针对管道应力检测已经出现了一些比较有代表性的理论和实验研究，主要包括表面应变法、声弹效应法、磁弹效应法、X射线法与中子衍射法等。由于仪器成本、运营成本高、操作难和检测速度慢等原因，X射线法与中子衍射法目前还仅限于实验室内使用；应变法、声弹效应法和磁弹效应法目前是工程中应力检测常用的几种方法。

应变法将电阻应变片和光纤布拉格光栅粘贴在被测件表面，通过检测材料表面的应变再乘以材料弹性模量计算出应力，实现对若干固定点的应力监测。对于具有挠度解析表达式的梁，可以使用梁的挠度方程对应力的空间离散采样值进行拟合，实现分布式应力测量；而对于支撑条件比较复杂的结构，例如：埋地管道和铁轨，则无法事先获得其挠度方程。声弹效应法利用超声波在材料中传播的速度随着材料应力变化而线性变化的特性检测材料的应力。根据超声波模式的不同，声弹效应法分为纵波法、剪切波法和临界折射波法(Lcr)。声弹效应法使用时需要在铁磁构件和传感器接触面涂抹耦合剂，且对模块安装精度有较高要求，适用于在实验室环境对铁磁构件进行局部应力检测，不利于现场应力检测。

磁弹效应法也称为磁机械效应，是指铁磁材料在机械应力的作用下，材料磁性随着改变的现象，分为磁记忆法，磁巴克豪森法和磁各项异性法。磁记忆法是指铁磁性零件在加工和运行时，由于受载荷和地磁场共同作用，在应力集中区域会发生磁畴组织的不可逆重新取向，这种变化即使载荷消除后仍会保留，表面的磁异常会“记忆”着应力集中位置。该方法可识别特定的应力集中区域，不能定量检测铁磁材料应力。磁巴克豪森噪声法利用激励线圈对铁磁材料进行渐变强度的磁化，改变其磁畴分布，利用接收线圈拾取材料内部磁畴运动所产生的电磁噪声信号，分析铁磁材料的应力分布。该方法对局部应力的检测效果较好，在钢板等准静态、移动式应力测量场合应用较少。

磁各项异性法是通过给被测试件施加弱交流磁化并检测材料在不同方向上的磁导率的变化来判断应力方向和大小。该方法在铁磁构件的应力检测上较多应用，但是由于地磁场较弱，不足以使磁畴克服摩擦达到转向一致，所以利用磁特性检测应力的一致性和灵敏度也不够好。

发明内容

本发明提供了一种基于磁弹效应的悬跨管道应力状态的移动式测量方法，确定了应力和阻抗变化的负线性关系；构建在不同大小的集中载荷作用下，悬跨管道的应力分布的数学模型；对比了不同的磁化方案，并通过钢板拉伸实验，从不同的磁化方案中确定了效果最优的磁化结构，提高了利用磁特性检测应力的灵敏度；设计了合适的利用磁特性检测应力的阻抗探头和提高稳定性的机械结构；使用设计好的磁化结构和磁测探头，对不同中央悬跨管道的应力分布状态进行检测，使用前述理论模型对测量结果拟合，提高拟合的精度，详见下文描述：

一种基于磁弹效应的悬跨管道应力状态的移动式测量方法，所述方法包括：

确定应力和阻抗变化的负线性关系；构建在不同大小的集中载荷作用下，悬跨管道的应力分布的数学模型；

根据使用的磁铁数量和是否在测量时保持磁铁继续在铁磁材料上，分为四种不同的磁化方案，通过钢板施加周期性载荷试验对四种磁化方案比较，设计最优的磁化方案；

构建利用磁特性检测应力的实验装置，用于测量悬跨管道的应力分布状态；

其中，所述利用磁特性检测应力的实验装置包括：支撑结构、阻抗探头、阻抗分析仪、负载重物、铁磁管道和上位机；通过加载不同大小的负载重物，改变悬跨管道的应力分布状态；

采用单磁铁磁化，阻抗探头以及相应的机械结构、阻抗分析仪和上位机分别放置在不同测点处用于测量悬跨管道的应力分布状态。

由线圈、磁芯以及铁磁构件构成的磁回路，通过线圈添加激励磁场，铁磁构件应力变化时，回路磁通量改变，线圈阻抗变化。

所述磁特性检测应力装置还包括：阻抗探头的固定模块，固定模块由顶丝、探头、铝外壳、铁垫块组成。

所述悬跨管道的阻抗关于应力分布的数学模型为：

其中，k为正数，G为铁磁管道的重力，D

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明从理论上分析了在不同集中载荷作用下对应的管道悬跨应力状态，并推导了相应的阻抗分布公式，为悬跨管道应力检测提供了理论拟合模型，提高数据拟合精度；

2、本发明设计了较为合理的磁化方案，并通过钢板周期性载荷实验得到单磁铁磁化能够有效提高利用磁特性检测应力的灵敏度和一致性；

3、本发明设计了合理的阻抗探头，对激励频率和结构稳定性进行优化，设计了合理有效的阻抗探头；

4、本发明证明了对铁磁管道进行单磁铁移动磁化后，对不同测点处的阻抗值使用得到的理论模型拟合，拟合结果能够很好地反映出不同集中载荷作用下对应的管道悬跨应力分布状态，证明了磁化后使用利用磁特性检测应力能够有效检测悬跨管道的应力分布和变化。

附图说明

图1为集中载荷作用下的管道悬跨仿真图；

其中(a)为仿真模型图；(b)为仿真结果和理论模型验证结果图。

图2为钢板磁化示意图；

图3为磁化方案示意图；

其中，(a)为利用磁特性检测应力磁测探头；(b)双磁铁回路磁化-x方向磁化；(c)为双磁铁回路磁化-y方向磁化；(d)为单磁铁磁化；(e)为伴随磁化。

图4为阻抗探头图；

其中(a)为示意图；(b)为实物图；(c)为参数扫描结果图；

图5为悬跨管道利用磁特性检测应力的实验示意图；

其中，(a)为自然悬跨状态(实际检测状态)；(b)为带集中负载状态(实验室条件下的检测状态，挂载不同重物模拟管道不同的悬跨状态)。

图6为钢板近表面的B

其中，(a)为钢板未磁化；(b)为双磁铁回路磁化-x方向磁化；(c)为双磁铁回路-y方向磁化；(d)为伴随磁化；(e)为单磁铁磁化。

图7为磁化后不同中央负载对应的悬跨管道分布状态曲线。

其中，(a)为自然悬跨；(b)为5kg；(c)为15kg；(d)为25kg；(e)为35kg。

图中，各部件代表的部件列表如下：

1、磁力仪；2、上位机；3、轭铁；4、固定盖板；5、磁铁；6、钢板；7、铁垫块；8、线圈；9、支撑结构；10、阻抗激励和数据采集；11、阻抗探头；12、夹持结构；13、铝制外壳；14、顶丝；15、负载重物；16、铁磁管道；17、垫片；18、电源19、线性驱动器；20、空气；21、测点；22、磁芯；23、磁传感器。其中，19-1、电机驱动器；19-2支撑杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一、铁磁材料应力和阻抗变化的负线性关系确定

初始磁导率μ

B

和感抗相比，线圈电阻很小，所以线圈阻抗变化近似等于线圈感抗变化。阻抗变化可表示为：

其中，l为磁路长度；S为磁通截面积。B

其中k为正数，与线圈的匝数，磁通面积和激励电流大小和频率等参数有关。该公式确定了阻抗和应力呈负线性关系，使用该公式对应力阻抗关系进行拟合，得到阻抗关于应力变化的连续变化数值，对测点处的测量结果修正。

二、悬跨管道的应力和阻抗分布状状态的拟合公式确定

在管道中间加载不同重量的负载，来改变管道的应力分布。简支管道的两端只有弯矩没有剪力，并且弯曲变形只存在于管道的纵向截面中。管道横截面上的正应力如下式：

MF为管道受到的外力矩，y为测点到中性轴的距离，I

所以管道在悬跨状态下的轴向应力大小为：

其仿真结果模型如图1(a)所示，数值计算和仿真结果如图1(b)所示。结合公式(5)和公式(8)，可推导出管道在悬跨状态下的阻抗分布公式为：

在得到单点的悬跨管道阻抗分布结果后，使用该公式对不同测点处的阻抗值拟合，得到整根悬跨管道的阻抗连续分布结果，提高了悬跨管道的阻抗分布的拟合精度。

三、最优磁化方案设计

在实际检测中，由于地磁场较弱，不足以使得磁畴克服摩擦力变得转向一致，所以需要外界强磁化提高力磁检测灵敏度，图2为移动磁化示意图，包括：磁力仪1、线性驱动器19、上位机2、轭铁3、固定盖板4、磁铁5和钢板6等。但磁化结构的不同，对铁磁构件的磁化效果也会存在差异，所以需要选择合适的磁化方案，使利用磁特性检测应力的灵敏度达到最佳。

根据使用的磁铁数量和是否在测量时保持磁铁继续在铁磁材料上，分为四种不同的磁化方案。磁铁尺寸为60mm*20mm*10mm，磁化强度为500000A/m。图3(a)为应力加载实验示意图，图3(b)-(e)为多种磁化方案的示意图，(b)图为双磁铁回路磁化-x方向磁化，由轭铁3，双磁铁5以及钢板6构成磁回路，磁铁磁化方向向着y轴正方向看去，左侧磁铁磁化方向沿z轴正方向，右侧磁铁磁化方向沿着z轴负方向，形成沿着-x方向的磁回路对钢板磁化，移动方向与应力方向相同；(c)图为双磁铁回路磁化-y方向磁化，由轭铁3，双磁铁5以及钢板6构成磁回路，磁铁磁化方向向着y轴正方向看去，左侧磁铁磁化方向沿z轴正方向，右侧磁铁磁化方向沿着z轴负方向，沿着y方向磁化，移动方向与应力方向垂直；(d)图为单磁铁磁化，只使用一块磁铁5，磁化方向沿z轴正方向，让其沿着x方向磁化；(e)图为双磁铁回路磁化-伴随磁化，由轭铁3，双磁铁5，铁垫块7以及钢板6构成磁回路，磁铁磁化方向向着y轴正方向看去，左侧磁铁磁化方向沿z轴正方向，右侧磁铁磁化方向沿着z轴负方向，在测点中央添加弱交流磁化检测探头，传感器使用三轴自制磁力仪，线圈的中心轴与传感器z轴方向同轴，传感器在线圈和钢板之间，提离值为3mm，激励信号波形如图(f)所示，共有5个激励频率，分别为200Hz，500Hz，1kHz，2kHz和3kHz，激励信号大小为1Vpp，线圈匝数为110匝。在磁回路和弱交流磁化同时磁化的条件下，检测钢板的应力变化。之后通过钢板施加周期性载荷试验对四种磁化方案比较，选择最优的磁化方案。

四、利用磁特性检测管道悬跨应力的阻抗探头设计

利用磁特性检测应力是由线圈8、磁芯23以及钢板6构成磁回路，通过线圈8添加激励磁场，铁磁构件应力变化时，回路磁通量改变，线圈8阻抗变化，从而判断应力的变化，由于使用装置较为简单，但灵敏度较低，适用于大型铁磁构件的分布应力测量。为了避免探头与管道贴合不紧密带来的测量误差，设计了探头的固定装置，并确定了最优激励频率。探头固定装置设计如图4(a)所示，装置由顶丝、探头、铝外壳、铁垫块组成。探头固定装置实物图如图4(b)所示，对应的扫频结果如图4(c)所示。

五、利用磁特性检测管道悬跨应力分布状态

对两端架起，中间加载集中载荷的方法展开利用磁特性检测管道悬跨应力的实验。实验装置如图5示。该装置由磁铁5、支撑结构9、阻抗激励和数据采集系统10、阻抗探头11、负载重物15、铁磁管道16和电源18等组成。通过加载不同大小的负载重物15，改变悬跨管道16的应力分布状态。其中铁磁管道16长12m，外径108mm，壁厚4mm，材质为X52，此处支撑结构9为管托，材质为SU304不锈钢，高度800mm，负载重物15包括0kg，5kg，15kg，25kg，35kg。磁化方案采用单磁铁磁化的方案，在上述磁铁尺寸基础上，在磁铁和管道之间添加有圆弧面的铁垫块7，使得磁铁5与铁磁管道16贴合更加紧密，磁化更加均匀，磁化面积更大。探头使用阻抗探头11。阻抗探头11、阻抗激励和数据采集系统10等分别移动至不同测点处用于测量悬跨管道16的应力分布状态，测点位置分别为1.8m，2.5m，3.2m，3.9m，4.6m，5.3m，6m，6.7m，7.4m，8.1m，8.8m，9.5m，10.2m。对不同测点的数据使用公式(9)拟合，得到整根管道的应力分布状态。

实施例2

本发明实施例实现了通过磁化后利用利用磁特性检测应力能够很好地测量到不同悬跨状态对应的应力分布情况。

(1)确定应力和阻抗的负线性关系，构建在不同大小的集中载荷作用下，悬跨管道的应力分布的数学模型。

图1为数学模型的验证，通过仿真验证了理论公式的正确性，在管道悬跨状态检测中使用该理论模型对测量结果拟合能够提高管道悬跨应力结果的准确度。

(2)设计了较为合理的磁化方案。

图6为钢板6在周期性载荷的作用下，不同的磁化方式对应的钢板6近表面磁信号特征变化曲线。通过对比磁化和未磁化的曲线，发现钢板6在相同的应力变化下，磁化能够明显提高利用磁特性检测应力的的灵敏度；对比不同的磁化方式，单磁铁磁化的剩余磁化强度稳定性和对于利用磁特性检测应力的一致性和灵敏度的提高有着明显的作用。

(3)设计了合适的阻抗探头，证明了磁化后利用磁特性检测应力的方法能够有效检测管道在不同悬跨状态下的应力分布和阻抗变化。

图4(c)中的扫频结果证明了30k的激励频率为利用磁特性检测应力的最优频率。图7为不同中央的集中载荷对应的悬跨管道16阻抗拟合曲线。使用推导得到的理论模型对测点阻抗拟合，得到整根管道的悬跨应力分布结果，证明悬跨管道16在磁化后，其阻抗分布和拟合结果能够很好地反映出管道16的悬跨状态。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。