管线钢截面的残余应力和结构特征

1、610管线钢截面的残余应力和结构特征L. Clapham*, T. W. Krause*. H. Olsen* B. Ma*, D L. Atherton*,P. Clark t and T. M. Holden 天燃气管道需要检查腐蚀等缺陷。最常用的非破坏性的检查工具是使用漏磁通（MFL）技术。MFL信号取决于管线的磁行为，这种磁行为对其微观结构和晶体学织构以及残余应力很敏感。在这里，商业X70管线钢的部分使用的显微结构检查，X-射线衍射（以确定晶体结构）和中子衍射（用于残余应力测量）。结果也与这种类型的管的制造工序也有密切关系。磁的特性也用于磁巴克豪森噪声的测量，这反映了管的磁各向异性和不

2、同的MFL信号。这些结果不只和晶体学结构和残余应力有关，同时也与材料的复杂的性质和应力状态有关。关键词：管线钢，显微组织，残余应力现代化的燃气输送管道本质上是加压的容器，在输出效益上它们的收益率高达70 。随着它们服务年龄的增长，它们可能出现缺陷增多与一般的或局部腐蚀和相关环境引起的开裂。安全，环保和经济方面的考虑要求这些缺陷被定位和移除或故障发生前修复。最常用非破坏性的管道检测方法是漏磁（MFL）技术。这涉及磁化管壁至接近饱和检测磁通密度，然后采用霍尔传感器或感应线圈检测管道内壁或附近的漏通量。在管壁不规则时会出现异常的漏磁信号，同时定位缺陷。最近，管道检测已经从简单的定位缺陷精确到了确定其

3、严重程度的，其目的是确定壁厚的损失在10%以内。这种能力允许的最大工作压力的计算使用的数据是基于MFL测量的结果。由于磁行为，漏磁信号是通过检查的钢管的磁纹理管道而获得的，而该钢管的应力状态对其影响很大。这些因素都取决于对反馈的处理和应力变化的记录。磁结构受管的磁各向异性在管的影响，这依赖于磁晶各向异性和在易磁化的角分布个别钢粒的轴。在一个非重点钢粒，这个简单的轴位于沿< 100>晶方向，因此，晶体结构起显著作用。应力的应用作用可能会改变这种磁性质感，因为紧张磁致伸缩效果将趋于重新调整域矢量使< 100 >方向与平行于轴线TSJ的压力更为紧密。管道的应力状态是很重要的，

4、不仅是因为它影响磁性参数和漏磁的影响信号，也因为超过应力极限 可能会产生严重的后果。残余应力可使在一个总的应力加压管道时作出重要贡献，由于残留的组合 与外加应力可能局部超过极限抗拉压力。还有一个特别值得关注的地方，那就是缺陷会使应力集中。在本研究中的残余应力，晶体和磁结构的检查是在在610毫米（24”）管道直径部分进行的。中子衍射允许通过一定厚度的管壁来进行小规模的应变测量，另外确定残余应力分布点附近的表面区域人工合成的“缺陷”。X射线衍射被用于建立管道的晶体结构。最后，磁巴克豪森噪音（MBN）测量进行了研究晶体学织构和残余应力和该材料的磁响应能力的影响。MBN技术的简要描述是由实验部分提供的

5、。实验部分管线钢试样在本研究中使用的样品是102毫米（4”）宽半圆形铁环部分，从610毫米（24”）9毫米厚度与直径收益率强度600兆帕的X70钢管上切除的。切割是通过焊接制成区域的一侧，另一切口是从180°焊缝。钢的成分列于表1 。一坑型腐蚀缺陷是通过钻探直径为13毫米的盲孔（50的渗透率）的外管壁模拟的，在两者之间的位置半切端（这也是为了研究应力 ）。围绕这一缺陷的区域是被选定用于残余应力分布点。圆管切割部分的数量众多的弹性回复大多为6.7毫米。半圆管部分有一个直径小于原管直径的部分，因此，回弹与存在的松弛于外面原始的完整部分的压缩环向应力有关。从应用应力测量外推确定该管道的外表

6、面原本在一个为30MPa的压环向应力下。金相检验的样本是取自一端半圆管段。横截面样品平行于管轴（即原来的板轧制方向）使用标准研磨编制及抛光技术，并且以2的硝酸酒精溶液进行蚀刻 粘接。表1 本文使用的X70管线钢的成分（重量）C Mn P S Si V Ti Nb0.12 1.46 0.02 0.003 0.22 0.060 0.020 0.040残余应力测量 利用中子衍射测量残余应力的一般说明可以在其他研究中借鉴。在管道样本，残余应力可以从铁环的残余应变测量中计算，径向（即厚度方向）和轴向（即管道轴）方向。这些残余应变测量是利用中子衍射设备反应堆设在加拿大AECL实验室乔克河的NRU做的。在L

7、3三重轴晶谱仪使用中采用锗单色的<115>晶面，以 提供=1.456Á的中子束。衍射成交量为1.5毫米的水平和垂直缝隙，一个测量体积为3.4立方毫米。应变 使用的Fe<112>反射进行测定。角度位置（2）的衍射峰是 通过拟合高斯分布的数据来确定。用于确定d的值，晶格 参数，用布拉格定律。=2d112sin112为了从测量的d值获得的应变，通过求小片管中的三个方向（环向，径向和 轴向）中间隙小的d112（10毫米x 5毫米×5毫米）的均值得到一个“无应变”参考间距。此参考间隔被发现是1.1705 A。 残余应变（E），由下式计算：=d-drefdref

8、环的残余压力（H），轴向（A）和径向 （R）的方向，用来计算残余应力使用：i=E(1+v)i+v1-2vA+H+R衍射弹性常数E（杨氏模量） 和v（泊松比）分别为225和0.276，分别。 这些值根据单晶约束铁的Kroner计算。该Kroner模型允许连续性应力和应变球形颗粒的边界，并且是更适合于使用测量晶格应变 中子衍射。表面织构测量样本织构，用X-射线衍射图确定。四个面（所有平行于管道表面）制备用来确定它的：外表面，该内表面和在3.5的深度和6毫米的表面 下面的外部等。 <110>，<200>和<112>极图分别为在各种情况下得到。磁巴克豪森噪声测量一个

9、变化的磁场的引起铁磁小范围连续磁化变化材料，由于畴壁从一个突然移动穿针部位到另一个域的急剧的旋转动作磁化矢量。传感线圈样本上的相关电压被称为磁巴克豪森噪声（MBN）。 MBN已涉及到冶金参数，如粒度号和碳含量。弹性和塑性变形也可能影响MBN。弹性变形，正如前面提到的，修改了有利力的域配置，而塑料变形产生的位错密度高的区域这可以作为壁阻塞点。在管道钢的加工步骤通常会导致一个相当复杂和不明确的晶体学织构和应力状态。磁各向异性（例如，磁易磁化轴），这是依赖于两者的应力和结晶的影响，可以通过以下方式测量MBN值作为扫描场的函数方向（相对于所述管轴线）。MBN的测量使用的实验装置在图1中，其示出显示装置

10、是铁氧体芯扫描场磁铁和感应线圈的位置。扫描场线圈的信号通过波形发生器和扩增具有双极电源供应器（扫描场频12赫兹，振幅1.0T）获得 。拾波线圈检测到的MBN信号通过前置放大器（增益5000 ）和传递给一个带通滤波器（ 3-200千赫）之后显示在带有居民数字示波器板（ 计算机范围内）的个人电脑上。透入深度计算表示该样品是完全磁化（透入深度3毫米） ;然而，频谱的MBN信号分析显示，大部分的MBN信号发生深度是从0.025毫米到0.7毫米。图1 MBN数据测量流程图MBN进行采样每3µs为8K大小的缓冲区。一个单一的跟踪采样时间为20毫秒，每个点取8个样点。所涉及的数据的分析 导出Vrm

11、s，对于（平均）信号包络，和一个 MBN能量信号，它被解释为低于电压的平方时间谱的区域。磁各向异性的MBN测量是从已获得的同一表面的X射线极图上执行的。对于每个样品，在扫描的场磁铁和感应线圈进行360°旋转，每次旋转15°。这些MBN与定位结果通过扫描平均等效减小到0°-180°角度范围内。每个样品的磁结构特征是一个无量纲参数K，其中K=Vrmsmax-Vrms(min)Vrmsmax+Vrms(min)Vrms（max）和Vrms（min）是在最大和最小的有效值电压，超过180°测得。结果与讨论光学显微镜微结构光学检查发现含有珠光体均匀的细粒

12、状物料 带一个典型轧制结构，如图2（a）所示。钢铁是相对'纯净'，具有比较少的杂物。特别感兴趣的是管道的外表面的微结构。图2（b）指出了在的珠光体带表面附近的某些区域被弯曲成半圆形， 在局部表面上有点压式塑性变形。这些地区是周期性的（01毫米为一周期），并且在表面上看没有明显的关联。在管的内表面没有这些区域。图2管壁纵切面微观组织图解：（a）管中心；（b）管外壁织构测量<110>所得的数字X射线极通过管壁的四个部分获得，如图F3(a)-(b)（注：为简便起见，只显示<110>极图）。从中间制备的两部分管壁既显示较强的轧制纹理特征，随后再结晶，如图3的（b

13、）及（c）。既不是它的外侧（图3（a），也不是它的内部（图3（d）表面表现出这种再结晶纹理; 相反，这些极数字表明微弱的，未结晶与轧制有关的剪切型纹理过程。管壁的表面与中心之间的纹理的区别意味着，在最后的轧制道次中钢板的温度太低，不能使两个外表面同时再结晶（这是一个情况通常被认为太理想化）。图3 通过管壁表面x射线的四极数据:(a)外壁,(b)外壁下方3.5mm处,(c)外表面6mm处, (d)管中心。A=轴向方向,H =环向方向,中心是径向方向残余应力测量 残余应力测量在1-2毫米的一步通过有一定厚度的管壁，无论间隔的正下方的缺陷，并在一个较远地方的缺陷（不小于40mm的距离）。图4 总结所

14、得的整个厚度的残余应力分别为中心，轴向和径向应力，它们出现在离缺陷较远的区域（类似的结果发现该缺陷的下方，因此，它们不能像一个单独的图形）。第三个方向，最显著残余应力梯度发生在轴向方向上，外面具有强烈的大概为100兆帕的压缩应力，越接近管壁的内表面有小幅上涨或拉伸，最后为零。要对管道的外表面检查残余应力的局部变化进行检查，残余应力的2D地图是在缺陷的附近。图5表示的包围缺陷的测量位置的轨迹。所有这些测量都是从该区域刚管外表面的下方获得的（从外壁到内壁2mm的深度）。结果，轴和径向的残余应力在轴向的形式呈现控制（y）轴固定（x）轴的扫描图分别如图6（a）和（b）和（c）所示。这些数字表明，轴向压

15、力持续压缩映射区域，在环向和径向方向的拉伸应力。而径向残余应力表现出非常小的变化与位置，尽管是轴向和环向残余应力变化高达50MPa的。这种变化是显著，特别是考虑到对应的小尺寸区域（15 ×20毫米）。此外，图6与图4中所示的表面应力的比较（测量远离缺陷>40毫米）表示整个外管壁剩余轴向和环向应力的变化可高达100兆帕。在轴向和环向方向（图6（a）和6（b）似乎有一些证据表明，应力减小会导致该地区出现缺陷，即沿着（Y）轴方向在（x）轴0毫米的位置。这可能代表与铣削过程中某种程度的缺陷的压力缓解有关，但是，只给定的表面上显著残余应力的变化，这是不能够作出结论的。图4 实验确定通过环

16、向残余应力随厚度而变化（），轴向的（），放射性的（）。图中数据误差为（±20Mpa）图5 残余应力在缺陷周围的分布轨迹。所有测量点都来自外壁表面轴向距离（Y）缺陷中心的距离轴向距离（Y）缺陷中心的距离轴向距离（Y）缺陷中心的距离图6 实验确定残余应力环向的（a）,轴向的（b）,散射的（c）(误差为±20Mpa)。每一个符号代表不同的环向位置：0mm ;4mm ;7mm ;15mm 磁巴克豪森噪声测量如图7所示把在MBN能量信号的变化作为一个角的函数（相对于管的轴方向），通过管内厚度的四表面。在所有情况下的最大信号出现时外加磁场平行于（或几乎平行于）轴向方向，同时在该信号以对

17、称的方式逐渐减少作为字段是朝向环（圆周方向）旋转。MBN能量水平的差异在四种表面之间也观察到。图8（a）示出了不同管道厚度的磁场的变化的各向异性参数（附注 一个额外的四个表面制备时通过管壁的不同位置，以获得更完整的与深度的关系）。MBN信号背景作为缺陷深度的函数变化以vrms信号被量化如图8（b）所示。 这些结果下面会更详细介绍。一般性讨论加工对管道质地和残余应力的影响在钢管的生产过程中进行一些不同的处理过程，其中一些或所有可能引入的残余应力而且制成成品后也不消失。在第一步骤中，现代管用钢铁通常经历“轧制控制”减少钢材板坯厚度如10-20厘米厚到板厚0.2-0.9厘米。轧制控制涉及钢坯变形它们

18、分别对应特定的温度区间内某些微观相稳定区域，即奥氏体（）相位区域温度高达约800 ，低于700时为铁素体（）+Fe3C的相位区域，+范围位于这两个温度之间。这与期望的结果是一致的，在整个板厚度分布再结晶的细晶粒结构，这是通过确保在完成进料加工温度（FRT）贴近到转变温度来实现的。如果这个再结晶组织全部呈现很少的或没有残余压力将进行轧制操作阶段。这部分的研究的不是部分管，与两个透视极点图和微观证据表明管外表面在轧后未进行再结晶。在再结晶构成中没有压力补偿，这些外部板（后管）的表面都有望保持轴向压缩，这与残余轴向应力显示结果是一致的如图4所示。外表面可见的强烈的轴向残余压应力可能导致了微结构的变形

19、见于图1（b）。这种变形的起源尚未确定，但它可以导致从一对辊子中的一个的转速比其他一个略高，造成了“起皱”型的影响。由于板的表面温度低于再结晶温度，应压力不会随后减少。这种周期性的表变形可能导致在外部观察到的管道轴向和环向应力的显著变动（图6（a）和6（b）。 相角随轴向方向变化图7 MBN角函数随四个外表面管壁厚度的变化（相对于轴向方向的角度）；外表面（）；外壁3.5mm处（）；外壁5.4mm处（）;内表面（）与外表面的距离（mm）与外表面的距离（mm）图8 （a）通过管壁的变化;(b)通过管壁Vrms(min)的变化轧制完成后，下一个处理步骤涉到板到部分管的形变过程。在轴向焊，大口径焊管，

20、例如一个这里考虑一个，板形变形成圆筒通常涉及两个阶段的冷弯曲加工。在第一阶段按“U”形施加压力形成马蹄形，并在随后的圆形中空模阶段（“O”压力）降低，形成了典型的圆形的横截面。在这点上一个小的间隙仍存在的两个边缘之间，并因此之间施加力保持边缘一起作轴向焊接。最后，液压用于冷扩管，这提高屈服点，并产生更均匀的通过管壁的应力状态。在本研究中管样品经受一个附加的处理步骤中，因为管随后被切割成一个半圆形部分。弯曲和组合切削创建一个独特的通过管壁的残余环向应力模式。这种残余应力的增长状态示于图9。当弯曲力施加时，应力通过管壁而变化，如图9所示。当施加的应力逐渐消失时，该弹性变形的地区没有其他条件时是无法

21、完全恢复的，并保持（在较小程度上）在它们以前的应力状态。外侧和内侧的塑性变形区域假设剩余弹性拉伸和压缩状态，分别均匀分布在整个横截面，在获得的弹性应力图9（b）和9（c）所示。考虑到大量的复杂因素和实验误差，图9（c）与实验测定残余环向应力相比如图4所示。整体弯曲应力状态残余与加载弯曲应力状态与外表面的距离（mm）C图9 管壁应力状态示意图：（a）应用弯曲载荷；（b）残余应力与加载应力；（c）残余应力（示意图）与外壁位置测量（(b)图所示）MBN与管线的质地和残余应力的关联如前面所讨论的，磁性行为是非常依赖于晶体的各向异性。最近MBN的研究面向无应变转变钢，我们发现关系图7所示类似，具有最大M

22、BN能量信号时获得的磁化场平行于轧制方向，在这些晶粒取向钢与<100>易磁化方向一致。因此，人们期望得到<100>方向和MBN在管线钢试件之间的相关性，有显著的特征。为了确定这样的关系是否存在，<100>取向对X-射线通过壁的四个表面厚度分布函数的极图数据进行分析。所得到的<100>极图（旋转，使得沿轴向位于中心）被显示在图10（a）-（d）。（100）极点有关的体积分数信息分别在三个方向的萃取从这些数据，并包括（以百分比表示，每四个表面）在表2中。也许是在此表中显示最显着的信息是两个内表面（3.5和5.4mm之间的相似性内部），及两个外表面之间

23、（内侧外）;这种相似性也反映在极图3的数字上。MBN的测试结果如图7和8所示，但是，表明了两个内侧或外侧的两个表面的结果没有相似性。这不排除晶体结构和MBN在此示例中的相似性;但是，它是可能的关系太复杂通过使用MBN技术的类型来确定这项研究。MBN和弹性应力水平之间的关系可以通过MBN结果图8（再次，通过厚度）与残余应力的结果图4进行比较。一个有趣的相关性出现在残余环向应力结果与磁之间各向异性参数上，如图11。根据以往的工作中观察到的数据图7表明在该管的易磁化轴位于在轴向方向上。参数，因此表示易磁化轴在轴向方向上的相对“强度”。正如引言中所述，环向拉伸应力的施加让环向方向易磁化，在轴向易磁化方

24、向环向压缩应力加强。根据本的说法，一个反比关系应该是预期参数和环向应力之间的 。图11表示反比关系似乎是真实的，即环向应力与参数直接相关。图10 通过管壁厚度的四个方向的（100）极图（ODF的形成）：（a）外表面，（b）下方3.5mm,(c)下方6.0mm,(d)内表面。H=环向方向，R=散射方向，轴向中心表2.与外表面的距离（mm）图11 通过管壁残余环向应力与的对比上述简单的论据中的几个因素没考虑到会使测得的透过管壁的环向残余应力和测量MBN信号之间的关系更加复杂。这些因素包括：（i）残余应力和塑形变形对MBN信号的影响;（）精确的压力向量及其对易磁化的幅度和方向轴影响的关系的由MBN计

25、量;（）假设缺陷的位置（按：九点钟到长缝焊接）和管道上的位置从该MBN样品被切断（6点钟位置相对于焊缝）已经历了类似的处理，以及（iv）该MBN测量是在一个已被切割的管的小的样品（17毫米×制成17毫米×2毫米），然后进一步进行电火花切片，这样，虽然没有新的残余应力引进，以前存在于管残余应力也可能被解除。工作目前正在进行，以进一步研究这些因素对MBN信号的影响。较低的各向异性的观察（图8（a），但较高背景MBN Vrms信号（如图8（b）在该管的外表面与在光学显微镜中观测到的半圆形珠光体带（图2（b）相关联，将其作为压缩式的塑性变形的指导，并与轧制有关的非结晶剪切型纹理过程

26、显示在（110）X射线极所示的结果中如图3（a）所示。两者在表面的显微镜和透视结果，可作为残余压力的存在的证据。这些表面状况可能与早期讨论的表面处理有关。这是可能的，因此，要减少在外表面上作为背景MBN信号的各向异性和整体上升导致的加工引起继发易磁化轴取向为90°，大部分易磁化轴方向是在管轴方向。总结和结论本研究的目的是在610毫米口径X70管线样品中晶体结构，微观结构和残余应力这些属性与磁性巴克豪森噪声（MBN）测量的关系。在管道检测中该MBN测量可以无损管道用钢的磁特性的情况下确定漏磁信号的主要因素。纹理和微观结构结果表明，在轧制过程中的温度不足以促进外部板表面的再结晶，在所述外

27、管内壁造成显著残留（轴向）的压应力。该实验测得的残余环向应力通过管壁的厚度分别与接下来预期的减压冷弯一致（即切割部分）。MBN与穿过始终产生在轴向方向上的最大噪声信号的厚度部分的点位测量，指示该磁易轴沿着所述管轴线方向。虽然以前对不太复杂的钢结构的研究发现MBN和（100）方向之间有很强联系，类似的关系无法在该管道晶体结构不太明确的部分找到。残余环向应力和之间的关系的确定的，然而，更多的工作需要需做解释这种关系的起源。一个大的背景MBN信号随着低MBN信号各向异性值与未再结晶纹理和表面的塑性变形相关。总之，这项工作表明一个典型的高度工程化的管线钢的金相组织的残余应力和磁行为之间相互影响的复杂关

28、系。鸣谢 这项研究是由自然科学,加拿大工程委员会和pipetronics赞助。参考文献1 Atherton, D.L 'Design of magnetic flux leakage detectors for pipeline applications' Proc. 3rd Nat. Seminar on NondestrucfiteEta/uation of Ferromagnetic Materials, Houston, Texas (1988)2 Atherton, D.L 'Effect of line pressure on the performance

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