基于弱磁内检测技术的管道氢致损伤磁-力响应与多场耦合磁信号表征研究

为解决长输管道中隐蔽性强、危险性高的氢致损伤(HID)难以被常规无损检测技术(NDT)有效表征的难题，研究人员结合弱磁内检测技术(WMID)与自旋电子学理论，提出多尺度磁信号分析方法，系统探究了应力(10–50 MPa)、激励强度(3000–7000 A/m)和氢浓度(α-Fe72 -H至α-Fe16 -H)对磁信号的影响。结果表明，WMID对HID的检测灵敏度比地磁场高113%，内壁信号特征更显著，应力评价指标Stotal 在40–50 MPa区间变化率达31%，为管道安全评估提供了新方法。

　　

在全球能源结构向低碳转型的背景下，氢能作为清洁能源的核心载体，其运输安全至关重要。然而，长距离输氢管道在酸性、潮湿或高压环境中，极易发生水分解和电化学腐蚀，产生的氢原子渗入金属晶格，引发氢致损伤(HID)。这种损伤隐蔽性强，传统无损检测技术(NDT)如声发射(AE)、涡流检测(ECT)等难以有效捕捉其早期信号，给能源运输系统埋下巨大隐患。

针对这一挑战，中国某高校的研究团队创新性地将弱磁内检测技术(WMID)与自旋电子学理论结合，提出了一种多尺度磁信号分析方法，系统研究了氢致应力集中(HISC)在多物理场作用下的磁响应规律。相关成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上，为管道健康监测提供了突破性解决方案。

研究团队采用理论建模与实验验证相结合的策略：首先基于铁磁材料的原子磁矩(μ)特性建立磁-力耦合模型，通过三维有限元模拟分析α-Fe晶格中氢浓度梯度对磁导率的影响；其次设计符合GB/T 5224-2003标准的Q235钢棒磁-力拉伸实验，量化应力(S_total
)、激励强度(E_total
)和氢浓度(C_total
)对磁信号的贡献。

建模部分揭示了铁磁材料中电子自旋磁矩与晶格畸变的关联机制。当氢原子占据α-Fe晶格间隙位时，会导致局部应力集中，通过磁弹性效应改变材料磁化强度(M)，进而影响弱磁信号特征。

应力影响分析显示，随着应力从10 MPa增至50 MPa，S_total
呈非线性增长，尤其在40–50 MPa区间出现31%的突变，这与氢原子在BCC晶格中的扩散激活能阈值相关。管道内壁因环境干扰小，磁信号变化幅度比外壁高35%，分布更均匀。

实验验证证实，在7000 A/m激励强度和α-Fe₁₆
-H浓度下，E_total
和C_total
分别产生35%和38%的显著变化。WMID对微裂纹的灵敏度比地磁场环境提升113%，且信号特征与氢浓度呈近线性关系。

该研究首次建立了氢浓度-应力-磁信号的多场耦合定量模型，提出的S_total
/E_total
/C_total
评价体系可直接应用于工程实践。其重要意义在于：①突破了传统NDT技术对HID的检测瓶颈；②为管道完整性管理提供了动态在线监测手段；③通过磁信号特征反演损伤程度，实现了从"被动防护"到"主动预警"的跨越。

讨论部分指出，未来研究需进一步优化激励参数与环境噪声的剥离算法，并拓展至多相流工况下的信号解耦。这项由Bin Liu团队引领的工作，不仅推动了自旋电子学在工程检测领域的应用，更为氢能基础设施的安全运行提供了理论支撑和技术保障。