不同提离下海上石油平台铁磁性构件磁记忆检测方法研究
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不同提离下海上石油平台铁磁性构件磁记忆检测方法研究张砚耕;胡斌;蔡晋辉
【摘要】海上石油平台铁磁性构件表面涂层造成探头提离导致磁信号减弱,会导致应力集中误判.我们对不同提离值下应力集中的磁记忆分析方法展开研究.首先,分别在提离0、0.5、1、2、3、4、5mm时采集试件的磁信号;其次,采用小波自适应阈值消噪提高磁信号的信噪比,对重复采集的磁信号进行相似度判别,消除其相异性;最后,分析不同提离值下磁信号的梯度和相轨迹.结果表明:提离值过大可能导致无法根据磁信号梯度识别应力集中,可用梯度值与梯度平均值的比值m或相轨迹辅助识别.基于此提出了不同提离值下的磁记忆分析方法,并在渤海某平台进行现场应用验证了其可行性.
【期刊名称】《中国计量大学学报》
【年(卷),期】2018(029)004
【总页数】7页(P378-384)
【关键词】海上石油平台;金属磁记忆;探头提离值;应力集中
【作者】张砚耕;胡斌;蔡晋辉
【作者单位】[1]中国计量大学计量测试工程学院,浙江杭州310018;[1]中国计量大学计量测试工程学院,浙江杭州310018;[2]中国特种设备检测研究院,北京100029;[1]中国计量大学计量测试工程学院,浙江杭州310018;
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28
海上石油平台是海上石油开发的重要基础性设施,环境腐蚀、船只碰撞、材料老化、构件缺陷、海生物附着、机械损伤等因素都会造成疲劳累积[1],一旦引发结构失效,就会导致重大经济损失和人员伤亡.目前常用的海上石油平台检测手段包括超声、
射线、磁粉和热成像等,都只能检测到构件上的宏观缺陷,无法确定早期应力集中区域.近年来海上石油平台频繁发生由应力集中导致的突发性事故[2-3],因此研究构件早期的应力集中区域检测方法具有重要意义.
金属磁记忆检测法可通过采集铁磁性构件表面的漏磁信号并加以分析,找出被测件
的应力集中区域,在疲劳损伤诊断等方面具有相当的潜力.DOBOV[4]研究了磁记忆
信号Hy与机械应力的变化量Δσ之间的对应关系.WILSON等[5]研究了拉伸应力
作用下焊接钢件表面的残余磁场变化,结果表明根据磁信号曲线分布可以提前识别
应力集中区域.ROSKOSZ等[6]研究了磁场梯度最大值和最大等效残余应力随应变
的变化规律,表明磁场梯度值与残余应力之间有较好的定性、定量关系.刘志才等[7]研究了提离值对应力集中区域判别的影响,结果表明提离会削弱磁信号峰峰值,但不
会影响损伤位置的判别.张军等[8]提出一种相轨迹分析法,通过观察磁信号的K-H
曲线是否封闭来判断有无应力集中,并根据封闭区域的最大梯度和面积评估损伤状态.
金属磁记忆检测法易受干扰[9].在海上石油平台构件检测中,构件表面涂层导致磁记忆探头提离,进而影响到检测结果.针对上述问题,本文在不同提离值下采集试块表面磁信号,然后采用小波自适应阈值消噪法对磁信号进行消噪,并对重复采集的磁信号
进行相异性处理;最后分析磁信号梯度和相轨迹,找出适合不同提离值下磁信号的分
析方法,并前往渤海某海上石油平台进行验证.
1 金属磁记忆检测的原理
处在地磁场环境下的铁磁性构件受到工作载荷的作用时,其内部会发生具有磁质伸
缩性质的磁畴组织定向的、不可逆的重新取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场H的变化,即磁场的切向分量Hx具有最大值,而法向分量Hy改变符号且具有零值点,如图1.这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留,从而通过磁信号可分析出工件的应力集中区域.目前金属磁记忆法中常用的磁参数为磁场法向分量Hy和梯度值K,Hy过零点和K值较大均表明有应力集中,且K值的大小在一定程度上可以反映应力集中程度[10].K的计算公式为
(1)
式(1)中,ΔHy为单位扫查步长内磁场变化量,Δl为扫查步长.
图1 金属磁记忆检测原理图Figure 1 Principle of metal magnetic memory testing
此外,磁信号某点的梯度值与梯度平均值的比值m,可用来判断被测件是否处于濒临损伤的极限状态.某点m值较大表明该点的K值远大于平均值,也可以作为应力集中的判断依据.m值的计算较K值复杂,且无法表征应力集中程度.
2 探头提离对磁记忆检测结果的影响
2.1 试验方案
选取两块经磁记忆检测表明有应力集中的钢板,表面无涂层,无氧化,材质为16MnR 和45钢,编号为1#和2#.覆盖0.5 mm厚度的透明塑料板模拟构件表面涂层.海上平台大气区受重度载荷的甲板表面涂层厚度达到2.5 mm左右,其他构件涂层厚度均<1 mm[11],因此选择在提离0 mm、0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm的情况下分别按照同一扫查路径采集磁信号,重复采集5次.磁信号采集装置采用TSC-2M-8型磁检测仪.为避免边缘效应,沿试块中心线截取180 mm 作为扫查路径,如图2.将采集到的信号进行数据处理和分析对比.
图2 扫查路径Figure 2 Scan path
2.2 试验数据处理
2.2.1 磁信号的小波自适应阈值消噪
为提高磁信号的信噪比,有效提取过零点,梯度值等磁记忆特征量,本文采用小波自适应阈值消噪对原始磁记忆信号进行消噪处理.
根据小波降噪法的数学模型,采集到的磁记忆信号y(t)为真实的信号与Gaussian白噪声的叠加:
y(t)=f(t)+σ×n(t).
(2)
式(2)中:n(t)为Gaussian白噪声,σ为噪声强度,f(t)为真实的磁记忆信号.
小波阈值去噪分为3步:首先将原始信号进行小波分解,其次对分解得到的小波系数进行阈值处理,最终进行小波重构.小波阈值去噪法的关键在于小波函数、分解层数的选择和阈值的计算.MATLAB的ddencmp函数可针对数据计算出合适的阈值,在此基础上进行了多次的对比分析,最终选取小波函数“db4”,进行4层的小波分解,消噪效果如图3.
图3 小波自适应阈值消噪效果Figure 3 Effect of the adaptive wavelet threshold denoising
2.2.2 多次重复试验中磁信号的相异性处理
多次重复试验中的磁信号应具有高度的相似性,采用相关系数γ描述两组磁信号之间的相关关系,保留正相关性高的磁信号,提高试验数据的可信度.两组磁信号之间的相关系数定义如下:
(3)
式(3)中:xi、xj分别为两次试验所采集的磁信号数据序列,conv(xi,xj)为两组试验数据序列的协方差,D(xi)、D(xj)分别为两组试验数据的标准差.
γ的范围为[-1,1],γ为正值表示正相关,为负值表示负相关,为零表示不相关;|γ|越大,表示相关程度越高.为确保数据的可靠性,只保留相互之间γ>0.9的磁信号.
2.3 试验结果分析
两试块不同提离值下的磁信号如图4、图5,梯度最大值Kmax与m值最大值mmax变化如表1.
图4 1#试块的磁信号Figure 4 Magentic signal of speciman No.1
图5 2#试块的磁信号Figure 5 Magentic signal of speciman No.2
表1 不同提离值下两试块关键磁参数变化情况Table 1 Variation of key magnetic parameters of two specimens under different probe lift-off values探头提离h/mm1#试块梯度Kmax/(A·m-1·mm-1)磁参数mmax2#试块梯度Kmax/(A·m-1·mm-1)磁参数
mmax021.2503.90911.3758.4600.518.6253.8048.3758.788115.7503.4737.00 011.114214.1253.6444.1257.89039.2502.9732.1256.371410.7503.8091.3754. 91658.1253.2421.0004.359
由1#试块分析可得,当被测件有高度应力集中时(无提离时Kmax为21.250),随着提离值的增大,磁信号曲线变化不明显,提离值达到5 mm也可以仅靠K值大小(提离5 mm时Kmax为8.125)来找出应力集中区域.在提离值由0 mm→5 mm的过程中,磁信号变化幅度变小,K值迅速减小,减小率达61.76%;而m值变化较为缓慢,减小率仅为17.06%.
由2#试块分析可得,被测件应力集中程度不够高(无提离时Kmax为11.375)时,若探头提离不超过2 mm,通过K值即可判定应力集中区域;提离达到3 mm时,Kmax 仅为2.125,不能确定是否有应力集中,但其相轨迹图存在闭合区域,即有应力集中存在,如图6,再通过m值即可定位应力集中区域;提离值达到4 mm时,相轨迹图显示无明显应力集中,但m值仍可反映出应力集中区域,如图7.在提离值增大过程中,磁
信号变化幅度变小,K值减小率达91.21%,m值减小率为48.48%.
图6 探头提离3 mm时2#试块磁信号相轨迹图Figure 6 Magnetic signal phase locus of specimen No.2 when the lift-off value is 3 mm
图7 探头提离5 mm时2#试块磁信号分析Figure 7 Magnetic signal analysis of specimen No.2 when the lift-off value is 5 mm
由两试块K值和m值的变化可知,应力集中区域的K值和m值随探头提离的增大呈减小的趋势,且m值的减小率远小于K值减小率.因此,当提离值较大时,若通过K值难以判断被测件的应力情况,可尝试通过m值进行判断.
由图6和图7可得,磁信号相轨迹可以反映有无应力集中,虽无法确定应力集中的位置,但受提离值的影响小于K值.
综上所述,采集到的磁信号幅值随磁记忆探头提离值的增大而减小,从而导致应力集中区域的辨别难度随探头提离值的增大而增大。
不同的提离值下采集到的磁信号需要用相应的方法来分析:当提离值≤1 mm时,只需分析K值;1 mm<提离值≤3 mm 时,在分析K值的基础上,需要借助磁信号相轨迹进行应力集中的定性;提离值>3 mm时,若相轨迹没有反映出应力集中,则需观察m值曲线,将m值较大的区域定为应力集中区域.
3 现场检测
本次检测同样采用TSC-2M-8型应力集中磁检测仪,检测对象为海上石油平台的甲板、斜撑和横梁.根据其表面涂层厚度,选取相应的方法对采集到的磁信号进行分析,现分别说明.
3.1 甲板的检测
被测甲板如图8,框内为形变区域.该甲板表面涂层厚度为2.5 mm左右,需对其磁信号的K值和相轨迹图进行分析.结果表明,应力集中区域多分布在斜撑周边.该甲板应力集中程度较高,仅通过K值即可判定应力集中区域,相轨迹图也显示有应力集中.以
图8中白色箭头所示扫查路径为例,信号分析如图9所示,可见斜撑附近应力较为集中.此外在3 900~4 100 mm之间也有一处K值突出,该处甲板曾有破损,后经焊接堵漏.
图8 MCC间外甲板Figure 8 Deck outside the MCC room
图9 甲板磁信号分析Figure 9 Magnetic signal analysis of the deck
3.2 斜撑的检测
对平台中层甲板东南部斜撑进行金属磁记忆检测,并用磁粉检测进行复验.斜撑表面涂层厚度<1 mm,故只对磁信号的K值进行分析.两种检测方法得出的结果对应良好,如表2.
表2 金属磁记忆检测和磁粉检测结果Table 2 Magnetic memory test results and magnetic powder test results磁记忆磁粉有缺陷无缺陷合计有应力集中426无应力集中044合计4610
图10 斜撑扫查路径Figure 10 Scan path of the diagonal bracing
以斜撑东侧上半部分为例,扫查路径如图10.检测结果表明,扫查路径起始的焊缝处和最终的连接处都有明显的应力集中.其他区域也有应力集中,但集中程度相对较低,如图11.磁粉检测结果如图12,发现长度为5 mm的裂纹.
图11 斜撑磁信号分析Figure 11 Magnetic signal analysis of the diagonal bracing
图12 斜撑磁粉检测结果Figure 12 Result of magnetic powder detection of the diagonal bracing
3.3 横梁的检测
对中层甲板顶部横梁进行金属磁记忆检测,横梁表面涂层厚度<1 mm,故只对磁信号的K值进行分析.发现横梁应力集中区域多在焊缝、横梁边缘以及横梁与其他构件的交叠处,如表3.
表3 横梁应力集中情况Table 3 Stress concentration of crossbeams危险区域焊缝横梁边缘构件交叠处其他区域有应力集中23143无应力集中0620×
以MCC间外主梁为例,扫查路径如图13.经数据分析可得,该横梁有两处应力集中区域,分别在300 mm和1 700 mm附近,其中后者为焊缝所在区域,如图14.
图13 横梁扫查路径Figure 13 Scan path of the crossbeam
图14 横梁磁信号分析Figure 14 Magnetic signal analysis of the crossbeam 4 结语
1)随着磁记忆探头提离值的增大,采集到磁信号的幅值减小,使得反映应力集中的K 值和m值随之减小,导致应力集中区域的辨别难度增大.但m值的减小率远小于K 值减小率,故当提离值较大时,可由m值代替K值辅助判断应力集中区域.
2)磁信号相轨迹不能定位应力集中区域,但能定性有无应力集中,且受提离值的影响小于梯度值K.可作为辅助判断手段.
3)海上石油平台铁磁性构件表面涂层厚度不同,导致磁记忆探头的提离值不同.为实现金属磁记忆检测法对海上石油平台铁磁性构件不打磨检测,应针对探头提离值选择相应的磁信号分析方法:探头提离小于1 mm时只需分析K值,1~3 mm时须借助磁信号相轨迹进行应力集中的定性判断,大于3 mm时可用m值代替K值进行应力集中区域的判定.
【相关文献】
[1] 庄力健,陈学东,陈炜,等.在役海洋石油平台风险分析与安全运行关键技术探讨[J].压力容
器,2014,31(6):51-57.
ZHUANG L J, CHEN X D, CHEN W, et al.Discussion on risk analysis and key technologies for safe operation of in-service offshore platform[J].Pressure Vessel
Technology,2014,31(6):51-57.
[2] 徐克薰,俞健,郑文尼.北海亚历山大·基兰德号平台覆没事故及其原因分析[J].机械工程材
料,1985(1):3-8,14.
XU K X, YU J, ZHENG W N. The capsize of Alexander L.Kielland platform in the North Sea and some of the published result of failure analysis[J].Mechanical Engineering Materials,1985(1):3-8,14.
[3] 刘建磊.现役海洋平台结构安全评估技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2013.
LIU J L. Study on Structural Safety Assessment of Existing Offshore Platforms[D].Qingdao: Ocean University of China,2013.
[4] DOBOV A A. A study of metal properties using the method of magnetic
memory[J].Metal Science and Heat Treatment,1997,39(9/10):401-405.
[5] WILSON J W, TIAN G Y, BARRANS S. Residual magnetic field sensing for stress measurement[J].Sensors and Actuators A: Physical,2007,135(2):381-387.
[6] ROSKOSZ M, BIENIEK M. Evaluation of residual stress in ferromagnetic steels based on residual magnetic field measurements[J].NDT&E International,2012,45(1):55-62.
[7] 刘志才,王新华,陈迎春.提离值对X80钢磁力信号的影响[J].起重运输机械,2017(10):155-158. LIU Z C, WANG X H, CHEN Y C. Influence of lift-off value on magnetic signal of X80
steel[J].Hoisting and Conveying Machinery,2017(10):155-158.
[8] 张军,朱晟桢,毕贞法,等.基于金属磁记忆效应的高铁轮对早期故障检测[J].仪器仪表学
报,2018,39(1):162-170.
ZHANG J, ZHU S Z, BI Z F, et al. Early fault detection in high-speed wheel set based on the magnetic memory effects[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2018,39(1):162-170.
[9] HU B, LI L M, CHEN X, et al.Study on the influencing factors of magnetic memory method[J].International Journal of Applied Electromagnetics &
Mechanics,2010,33(3):1351-1357.
[10] 冷建成.基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012. LENG J C. Research on Early Damage Diagnosis Method of Ferromagnetic Materials Based on Magnetic Memory Testing Technique[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2012.
[11] 常炜,于湉.海上石油平台涂层腐蚀控制[J].涂料技术与文摘,2011,32(3):21-24.
CHANG W, YU T. Coatings corrosion control for offshore platform[J].Coating Technology & Abstracts,2011,32(3):21-24.
[12] 胡斌,沈功田.磁记忆检测技术在游乐设施上的应用[J].无损检测,2016,38(11):21-26.
HU B, SHEN G T. Application of magnetic memory testing technology on amusement equipment[J].Nondestructive Testing,2016,38(11):21-26.
[13] 邓永贡,王强,胡斌,等.焊接残余应力磁记忆信号特征的研究[J].中国计量学院学
报,2016,27(1):52-57.
DENG Y G, WANG Q, HU B, et al. Study on magnetic memory signal characteristics of welded residual stress[J].Journal of China University of Metrology,2016,27(1):52-57.
[14] 李运涛,胡斌,赵潇男,等.打磨对金属磁记忆检测的影响[J].无损检测,2014,36(6):55-58,79.
LI Y T, HU B, ZHAO X N, et al. Test on effect of descaling and polishing on metal magnetic memory testing[J].Nondestructive Testing,2014,36(6):55-58,79.
[15] 任吉林,林俊明,任文坚,等.金属磁记忆检测技术研究现状与发展前景[J].无损检测,2012,34(4):3-11.
REN J L, LIN J M, REN W J, et al. Mater magnetic memory testing technology development status and prospects[J].Nondestructive Testing,2012,34(4):3-11.。