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。
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（0〜1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 )。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
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（Ƴ）相位区域温度高达约800℃，低于700℃时为铁素体（α）+Fe3C的相位区域，Ƴ+α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Ƴ到α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。
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）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）。
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（ ）
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κ（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κ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。
角度位置（2θ）的衍射峰是通过拟合高斯分布的数据来确定。θ用于确定d的值，晶格参数，用布拉格定律。
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：
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。
磁巴克豪森噪声测量
一个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）。
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。
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：
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。
管道的应力状态是很重要的，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。
表1本文使用的X70管线钢的成分（重量％）
C Mn P S Si V Ti Nb
0.12 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L3三重轴晶谱仪使用中采用锗单色的<115>晶面，以提供λ=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。
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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。
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。