弯曲载荷下压力管道的磁记忆效应研究

　　在不同使用用途的铁磁性钢管中,如锅炉加热表面管子等,存在着不同形式的弹性应力,如拉、压、弯、扭等,管子内部承受锅炉热水或者热蒸汽造成的压力,其中最重要的是弯曲应力,管子一半受压一半受拉,管件上部分区域出现强化及塑性变形区域。在实际生产中,锅炉管比较容易产生弯曲变形事故。磁记忆检测技术适用于铁磁性构件高度应力集中区的检测,检测速度快、使用方便等,极具现场应用优势。目前单纯研究金属直管在载荷作用下的弯曲变形状态的较少,而管件弯曲载荷下的磁记忆效应研究更是少有人涉及。本文以锅炉管件的弯曲变形为基础,研究铁磁性钢管弹性和塑性弯曲应力下的表面弯曲应力和磁场强度的分布。

　　1　三点弯曲实验

　　选取材料为20钢的管件,做三点弯曲实验。20钢可用于制造压力低于6.05MPa、温度低于450℃的在非腐蚀介质中使用的管子、导管等零件,以及中低压锅炉的换热管等。其力学性能参数见表1。

　　压弯试样全长500mm,形状尺寸如图1所示。弯曲试验采用CSS-2210电子万能试验机配套的三点弯曲实验装置,如图2所示。磁检测采用俄罗斯动力诊断公司的高灵敏度磁记忆检测仪TSC-1M-4。

　　根据材料力学知识,发生横力弯曲时杆件各截面的弯矩不同。受集中力作用时,在作用点附近的横截面内应力分布较为复杂,但属于局部应力。对于等截面管件,横截面上的最大正应力发生在弯矩最大的截面上离中性轴最远的边缘处,其值为:

　　式中　Mmax—横截面上的最大弯矩;IZ—横截面对中性轴的惯性距。其正应力分布是从中心处向边缘处逐渐减小。在压弯实验中,载荷按照如图3所示的过程加载。每一载荷步的峰值分别为3kN、4.5kN、5.5kN、5.7kN,并且在每一次加载后进行卸载。在图1所示的六个检测点位置处贴应变片,在每一加载和卸载状态读取应变值,检测试件表面上下检测线a、b(见图1所示)的磁场强度法向分量。

　　2　应力和磁记忆检测结果及分析

　　在弯曲实验过程中随着载荷的逐渐增大,管件发生轻微的弯曲变形。由于是空心管件,实验完毕后发现其上表面受力部位出现凹槽,产生了局部应力集中。管件表面六个检测点应力数值和法向磁场强度的检测结果如表2、表3所示。

　　其内弯面承受压应力,应变检测数值为负,在每一步卸载后,产生的残余应力符号为正,即为拉应力。外表面受载状态时承受拉应力,卸载后为反向残余压应力。可以看出中心处应力最大,因此较早地进入塑性区。电阻应变检测仅在弹性范围内有效,可能所测力的精确度不够,但可作为应力变化的参考。从表2、表3中可以看出,各点磁场强度是随着载荷的增大而减小的,但方向和数值大小与初始磁状态有很大关系。再观察加载及卸载阶段的异同,磁场强度数值出现大幅度变化,卸载状态的磁场强度数值大于受载状态。