油气长输管道应力损伤可信的磁记忆检测方法研究

Stress damage is the major threat to oil and gas transmission pipeline, which has been focus on in the international pipeline industry. Magnetic memory testing technique can effectively determine the stress concentration of the ferromagnetic metal component, and plays an important role in improving stress damage on-line detection of oil - gas transmission pipeline. However, so far the physical mechanism of magnetic memory effect has been uncertain; the repeatability and controllability of magnetic memory signal have been poor; and the scientific nature and effectiveness of the inspection results have been hard to be believed. In the here, the research content including: (1) Magnetic memory phenomenon will be researched from the solid energy band and electron spin explore, magnetic memory signal changes with crystal structure changes caused by stress damage will be analyzed. (2) The influences of stress analysis, magnetic field, doping elements, temperature and other factors on the band structure, electron density and atomic magnetic moment are calculated by first - principle based on density functional theory, meanwhile, change regularity of magnetic memory signals are analyzed. (3) The systematic experiments are used to analyze the change rules of magnetic memory signal under different external factors and to establish controllable magnetic memory signal detection method. Research results will drive the science application of magnetic memory method in the engineering field.

应力损伤是造成油气长输管道危害的重要原因，已经引起国内外管道行业的高度关注。磁记忆检测技术可以有效地判断铁磁性金属构件的应力集中区域，对管道应力损伤内线检测具有切实可行的意义。但是，由于磁记忆现象影响因素复杂，其形成机理至今没有定论；并且磁记忆检测方法的可控性、重复性很差，检测结果的科学性和可信性很难令人信服。本课题以油气长输管道应力内线检测为研究背景，（1）从固体能带和电子自旋角度研究磁记忆信号的产生过程，建立磁力学检测模型。（2）利用密度泛函理论计算应力、磁场、掺杂元素、温度等因素对能带结构、电子态密度和原子磁矩的影响，分析磁记忆信号的变化规律。（3）根据理论研究，在精确测量应力损伤区域磁信号的基础上，系统实验研究在不同外界因素作用下，构件由弹性形变到塑性屈服过程中，磁记忆信号的变化特征，形成可控的、可重复的、可信的磁记忆检测方法。课题研究成果将推动磁记忆法在工程技术领域的科学应用。

金属磁记忆检测法是非磁饱和环境下，通过检测铁磁性金属构件应力集中区表面的微弱磁信号来判断构件应力损伤区域和应力损伤程度；该种方法有对应力集中敏感，无须耦合剂，检测速度快、支持非接触动态在线检测等优点，在铁磁性金属构件应力检测领域具有很好的应用前景。然而，虽然磁记忆检测技术在工程领域的应用较为成功，但磁记忆现象的机理、磁记忆信号的传播规律及外界影响因素仍然是该技术的瓶颈问题。针对目前磁记忆检测技术中的磁记忆信号形成机理问题，本课题基于密度泛函理论对金属磁记忆检测技术的检测机理进行深入研究，建立了微观状态下的铁磁性金属构件磁力学模型，为磁记忆检测技术在管道、船舶、铁轨等工程领域上的实际应用提供理论依据；针对不同提离值下的应力集中区磁记忆信号分布特征进行分析，研究了铁磁性金属的磁记忆信号传播规律，并分析了不同传播介质下的磁记忆信号传播特征；深入研究了不同外界磁场强度对金属磁记忆信号的影响，在外界磁场变化过程中不同载荷作用下应力集中区金属磁记忆信号的分布规律，对不同方向下的三维磁记忆信号进行特征分析，拓展了除弱磁检测方法外，其余磁性法在检测应力集中区的应用上具有丰富的多样性。在本课题资助下，课题组研制出内检测实验样机，其各项指标为：工作压力≤10Mpa，工作时间≤100h，最大里程≤300km，运行速度在 0.3-5Km/h，应力检测精度在±20Mpa。工作温度0-65℃，通过弯头能力>1.5D，允许管道斜接 17°，通过变形能力 15%。可以检测出铁磁性材料塑性变形范围内的应力集中区（磁场分辨率<0.5nT，磁场测量误差<5nT，管壁测量深度为 0～10mm），研究成果符合预期指标。本课题针对磁记忆技术在长输油气管道应力内检测应用领域的难点问题，为长输油气管道应力内检测工程应用领域的发展提供科学依据。