磁記憶檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

喬天驕，黃松嶺，趙 偉，王 珅

(清華大學(xué) 電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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磁記憶檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

喬天驕，黃松嶺，趙 偉，王 珅

(清華大學(xué) 電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

介紹了磁記憶檢測技術(shù)的主要應(yīng)用方法，分析了相比于其他無損檢測技術(shù)，磁記憶檢測具有的優(yōu)點(diǎn)，并分別從基礎(chǔ)理論、儀器制造以及應(yīng)用等方面梳理了磁記憶檢測技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，歸納出目前磁記憶檢測有待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，并預(yù)測了磁記憶檢測技術(shù)的未來發(fā)展方向。

磁記憶檢測；集中應(yīng)力；磁致伸縮；早期診斷

鐵磁性金屬構(gòu)件(包括制品、設(shè)備、工件等，以下統(tǒng)稱為“構(gòu)件”)在現(xiàn)代工業(yè)中起到支柱性作用，在交通、航空航天、設(shè)備制造、石油天然氣運(yùn)輸、電力生產(chǎn)等行業(yè)和領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，因此，保證各種鐵磁性金屬構(gòu)件的可靠安全運(yùn)行至關(guān)重要。采用傳統(tǒng)的無損檢測方法，如漏磁、磁粉、超聲以及渦流等檢測方法和相應(yīng)技術(shù)，只能對鐵磁性金屬構(gòu)件中已成型的宏觀缺陷進(jìn)行檢測，但無法檢測尚未成型的微觀缺陷和應(yīng)力集中區(qū)域，而鐵磁性金屬構(gòu)件中缺陷的形成，往往是一個區(qū)域不斷受到應(yīng)力集中作用的累積結(jié)果。

20世紀(jì)90年代后期，俄羅斯的DOUBOV教授率先提出了金屬磁記憶檢測技術(shù)的概念[1]，從此，磁記憶檢測便成為了一種新的無損檢測技術(shù)。采用金屬磁記憶檢測技術(shù)，可以檢測到鐵磁性金屬構(gòu)件中存在的應(yīng)力集中區(qū)域，而這往往是正在運(yùn)行的相應(yīng)設(shè)備發(fā)生事故的危險區(qū)域。目前，金屬磁記憶檢測技術(shù)是鐵磁性金屬構(gòu)件故障早期診斷和預(yù)防的一種無損檢測方法[2]。因此，該檢測技術(shù)從誕生起，就受到了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注，目前已取得了一些理論研究和工程應(yīng)用成果。

金屬磁記憶檢測方法的主要用途為：① 確定鐵磁性金屬構(gòu)件上應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的不均勻性或應(yīng)力集中區(qū)域；② 確定在鐵磁性金屬構(gòu)件上應(yīng)力集中區(qū)域的取樣位置，以評估該處的材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)；③ 鐵磁性金屬構(gòu)件疲勞損傷的早期診斷和壽命評估；④ 與常規(guī)無損檢測方法結(jié)合使用，以減少相應(yīng)檢測工作的成本和材料成本；⑤ 對各種類型鐵磁性金屬構(gòu)件焊接質(zhì)量的控制(包括接觸焊與點(diǎn)焊的質(zhì)量控制)；⑥ 通過鐵磁性金屬構(gòu)件材料的不均勻性，對新生產(chǎn)以及在用鐵磁性金屬構(gòu)件實(shí)施快速分類等。

與傳統(tǒng)的無損檢測方法相比，金屬磁記憶檢測技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：① 不需要專門清理被檢測對象表面或做其他準(zhǔn)備工作，可以保持被檢鐵磁性金屬構(gòu)件的原貌；② 與漏磁檢測相比，無需主動磁化被檢工件，檢測后，也無需進(jìn)行退磁處理；③ 可檢測正在運(yùn)行中的鐵磁性金屬構(gòu)件，也可檢測待修的相應(yīng)構(gòu)件；④ 探頭提離值對檢測結(jié)果影響較小；⑤ 能靈敏地檢測出鐵磁性金屬構(gòu)件材料瀕臨損傷的狀態(tài)，在應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)平均、金屬構(gòu)件材料強(qiáng)度及可靠性分析、構(gòu)件壽命預(yù)測等方面均有獨(dú)特的能力[3]。

1 磁記憶檢測技術(shù)的基礎(chǔ)理論國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1998年，俄羅斯的DOUBOV教授在第五十屆國際焊接學(xué)術(shù)會議上提出了“金屬應(yīng)力集中區(qū)域-金屬微觀變化-磁記憶效應(yīng)”的概念，并提出了金屬磁記憶檢測方法(MMM)，文中指出，當(dāng)鐵磁性金屬構(gòu)件中存在應(yīng)力集中區(qū)域時，其表面漏磁場的法向分量會出現(xiàn)過零的判據(jù)。由此，引發(fā)了國內(nèi)外業(yè)界人士對該檢測新技術(shù)的強(qiáng)烈興趣，并圍繞著該技術(shù)是否能夠檢測出應(yīng)力集中區(qū)域，漏磁場法向分量過零是否準(zhǔn)確，以及地磁場在其中的影響等多方面的問題，展開了較深入的研究。

磁記憶檢測的原理實(shí)際上是磁彈性和磁機(jī)械效應(yīng)共同作用的結(jié)果。鐵磁學(xué)研究表明，彈性應(yīng)力對鐵磁體不但產(chǎn)生彈性應(yīng)變，而且還產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變。在應(yīng)力σ作用下，磁疇壁將改變其位置，同時自發(fā)磁化也將改變其方向。因此DOUBOV認(rèn)為，鐵制工件某一部位在周期性負(fù)載和外磁場(如地球磁場)作用下會出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)和自磁化的增長[4]，周期載荷下磁彈性效應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 周期載荷下磁彈性效應(yīng)原理

金屬磁記憶檢測的物理原理被DOUBOV表述為：處于地磁場環(huán)境下的鐵磁性金屬構(gòu)件受到工作載荷的作用，由于具有磁記憶效應(yīng)，在該鐵磁性金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)域表面的漏磁場就會發(fā)生相應(yīng)改變。

目前常用的DOUBOV理論判據(jù)是：鐵磁性金屬構(gòu)件中存在應(yīng)力集中區(qū)域時，其表面漏磁場的法向分量Hp(y)會出現(xiàn)“過零”現(xiàn)象；而其表面漏磁場的切向分量則出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。研究表明，這種現(xiàn)象是不可逆的變化，在該鐵磁性金屬構(gòu)件的載荷撤消后依然會保留下來，鐵磁性金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)表面漏磁場強(qiáng)度法向分量和切向分量的變化如圖2所示，其中x為切向，y為法向，Hp(x)為切向磁信號，Hp(y)為法向磁信號。因此，可以通過檢測該鐵磁性金屬構(gòu)件表面漏磁場的變化，來判斷其中是否存在應(yīng)力集中區(qū)域[5]。然而，在DOUBOV的研究中沒有說清楚地磁場在金屬磁記憶產(chǎn)生過程中的作用[6-7]。

圖2 鐵磁性金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)表面漏磁場強(qiáng)度法向分量和切向分量的變化

南昌航空學(xué)院任吉林等從力磁效應(yīng)微觀機(jī)理出發(fā)，開展了試驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)，在被測的鐵磁性金屬構(gòu)件中，隨著應(yīng)力的變化，磁疇結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化；當(dāng)外部動載荷消除后,由于材料內(nèi)部存在內(nèi)耗效應(yīng),使得加載在金屬內(nèi)部所形成的應(yīng)力集中區(qū)也得以保留,為抵消應(yīng)力集中區(qū)的殘余應(yīng)力能,磁疇組織的重新排列取向也會保留下來,并在試件表面形成漏磁場，從而驗(yàn)證了可以用磁彈性與磁機(jī)械效應(yīng)來解釋磁記憶原理[8]。后來研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)漏磁場法向分量的過零現(xiàn)象時，未必就有應(yīng)力集中；而在應(yīng)力集中區(qū)域，也未必出現(xiàn)法向分量的過零現(xiàn)象。而后，任吉林等人經(jīng)過研究指出，僅從漏磁場法向過零，還不能獲取足夠的鐵磁性金屬構(gòu)件內(nèi)材料特性變化的信息，因此又對二維磁記憶檢測方法進(jìn)行探索，增加了漏磁信號切向分量取得最大值這一判據(jù)，并同時關(guān)注漏磁場切向分量、法向分量的一階微分，形成了李薩圖形分析法[9-11]。天津大學(xué)黃炳炎等利用描述磁場特性的高斯方程，以及預(yù)制焊接裂紋處金屬磁記憶信號的強(qiáng)度等，建立了應(yīng)力與漏磁信號之間的關(guān)系模型，并且對鐵磁性管線鋼裂紋尖端處的應(yīng)力集中情況進(jìn)行了定量分析[12]。張利明等對鐵磁性金屬構(gòu)件的力磁效應(yīng)進(jìn)行了有限元分析，其結(jié)果使得應(yīng)力的磁效應(yīng)源于應(yīng)力的磁導(dǎo)率效應(yīng)的理論以及力磁偶模型得到了詮釋，并且發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域的李薩如圖形會出現(xiàn)封閉區(qū)域，且封閉區(qū)域的面積與應(yīng)力之間并非是簡單的線性關(guān)系[13]。黃松嶺等用金屬磁記憶方法檢測了鐵磁性金屬構(gòu)件中的應(yīng)力分布，所得到的結(jié)果與盲孔法應(yīng)力分布檢測結(jié)果相吻合，證明了以磁記憶檢測技術(shù)檢測鐵磁性金屬構(gòu)件中的應(yīng)力分布是可行的[14]。

有關(guān)地磁場對磁記憶檢測的作用，學(xué)術(shù)界一直存在不同觀點(diǎn)：李路明等通過試驗(yàn)證明了磁記憶檢測可以有效判斷鐵磁性鋼管上存在的應(yīng)力集中區(qū)域，但地磁場在磁記憶檢測中并不會產(chǎn)生決定性影響[15]。黃松嶺等在屏蔽掉地磁場的條件下，將被檢測構(gòu)件表面的磁場與處在地磁場環(huán)境中的被檢構(gòu)件表面的磁場進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在由應(yīng)力引發(fā)的磁畸變過程中，地磁場的作用微乎其微[16]；在地磁場作用的分析方面，劉美全等得出了類似的結(jié)論：固定磁疇結(jié)點(diǎn)一旦產(chǎn)生，其磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于地磁場的磁場強(qiáng)度；在基于微弱磁場對鐵磁性金屬構(gòu)件中缺陷的檢測場合，地磁場只會改變檢測信號的幅值，但并不會影響缺陷信號的特征[17]。鐘力強(qiáng)等通過改變檢測時的環(huán)境磁場，發(fā)現(xiàn)環(huán)境磁場的影響存在兩個特殊區(qū)域，檢測時若外部磁場在其范圍內(nèi)，檢測得到的由應(yīng)力集中引起的磁場畸變的方向與其他區(qū)域相反，而在上述范圍外的環(huán)境磁場與畸變磁場基本成正相關(guān)關(guān)系[18]。

基于磁記憶檢測理論的研究成果，筆者認(rèn)為，磁記憶檢測到的鐵磁性金屬構(gòu)件表面漏磁場,其本質(zhì)上是由于受到應(yīng)力集中的構(gòu)件表面磁疇壁發(fā)生的畸變，外磁場的影響只能改變這種磁場的幅值而不是特征；在弱磁場如地磁場作用下，或許構(gòu)件表面漏磁場法向分量過零，還有其他干擾磁場時，有可能整體幅值改變過大導(dǎo)致構(gòu)件表面漏磁場法向分量不過零。

2 磁記憶檢測技術(shù)的儀器研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，雖然磁記憶檢測技術(shù)尚未十分成熟，但研究人員已將其應(yīng)用于相關(guān)工程，并開展了大量理論和試驗(yàn)研究，且研發(fā)出了幾種檢測儀器。

俄羅斯動力診斷公司在世界上最先研發(fā)出了TSC系列應(yīng)力集中磁檢測儀及其配套掃描裝置，利用該裝置能夠檢測出鐵磁性金屬構(gòu)件表面磁場法向分量強(qiáng)度的變化，對被檢測金屬構(gòu)件中存在的應(yīng)力集中情況進(jìn)行評價。2005年5月，愛德森公司林俊明在國內(nèi)召開的火電廠壽命慣例與延壽國際學(xué)術(shù)會議上所做的報告中，向與會者展示了我國研發(fā)制造的第一臺磁記憶診斷儀[18]。而后，該公司對該磁記憶診斷儀進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，又相繼推出了智能型磁記憶檢測儀EMS1000、EMS2000、EMS2003，及其配套用數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)M3DPS[19]。清華大學(xué)李路明等研制出了掌上型磁記憶檢測儀，該儀器不但能夠以高靈敏度實(shí)時檢測分析鐵磁性金屬構(gòu)件中應(yīng)力集中的情況，還可作為弱磁檢測儀使用[20]。北京理工大學(xué)高玄怡等研發(fā)出了基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式磁記憶檢測儀，可實(shí)現(xiàn)磁記憶信號的采集及其梯度值的計算[21]。任吉林等基于李薩圖研制了二維磁記憶檢測儀，能有效防止單憑漏磁場法向分量過零做判斷而導(dǎo)致的誤檢情況[9]。

國內(nèi)外已經(jīng)將磁記憶檢測應(yīng)用于很多工程中：梁冰研制了油井鐵磁性金屬套管應(yīng)力磁記憶檢測儀，并進(jìn)行了井下試驗(yàn)，可為井下套管安全狀況評價提供依據(jù)[22]。張鵬林等采用金屬磁記憶與X射線照相法相結(jié)合的方法，對風(fēng)電塔筒的焊縫、在役塔筒法蘭連接處的焊接質(zhì)量等進(jìn)行檢測，明顯提高了檢測效率[23]。裴濤等將磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用在濕蒸汽發(fā)生器爐管的現(xiàn)場檢測中，證實(shí)了磁記憶檢測對爐管早期缺陷的發(fā)現(xiàn)是一種行之有效的方法[24]。楊偉東等將磁記憶檢測用于汽輪機(jī)葉片的早期診斷中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力集中、但尚未發(fā)展成型的裂紋缺陷[25]。烏克蘭等國不僅研發(fā)出了用于電站、鍋爐管道和汽輪機(jī)葉片強(qiáng)度和可靠性診斷的磁記憶檢測儀，并且制定出了用于評價相應(yīng)檢測方法和評估檢測儀性能的國家標(biāo)準(zhǔn)[26]。TANASIENKO等將磁記憶方法用于檢測化工設(shè)備，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域的被檢設(shè)備材料的強(qiáng)度和硬度明顯高于其他區(qū)域[27]。

綜上所述，目前磁記憶檢測技術(shù)已被電力、航空、管道運(yùn)輸、鐵路、船舶等多個工業(yè)領(lǐng)域所關(guān)注。磁記憶檢測儀器不斷完善，從檢測一維信號到能檢測二維信號；從體積較大改進(jìn)到便攜式檢測儀、掌上檢測儀等。

3 磁記憶檢測存在的問題及展望

3.1 磁記憶檢測存在的問題

(1) 有關(guān)磁記憶現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，尚未形成一種普遍共識的嚴(yán)密的理論體系，至今，仍有基于鐵磁學(xué)基本理論的“能量平衡說”，還有基于電磁學(xué)的“電磁感應(yīng)”學(xué)說等。

(2) 影響形成磁記憶現(xiàn)象的磁場的因素有很多，如應(yīng)力的類型、大小、方向，以及不同鐵磁性金屬材料的壓磁性、磁滯性、磁飽和性等，而且每種因素如何影響相應(yīng)磁場也十分復(fù)雜，因此，目前還缺乏評判磁記憶檢測、進(jìn)行鐵磁性金屬構(gòu)件缺陷早期診斷的嚴(yán)格技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 作為一種弱磁檢測技術(shù)，磁記憶檢測獲得的磁場信號極易受到其他因素的干擾，因此，如何獲取可靠的磁記憶檢測信號，還面臨著諸多困難。

(4) 磁記憶檢測中出現(xiàn)的磁場法向分量的過零現(xiàn)象與應(yīng)力集中區(qū)域之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，并非所有出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置都存在檢測信號法向分量過零的現(xiàn)象，而檢測信號法向分量過零的位置隨被測構(gòu)件所承受載荷的增加，會向著應(yīng)力集中的位置移動。鑒于此，并借鑒已有的研究，筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)多在檢測所得漏磁場信號的梯度值等與被測構(gòu)件上應(yīng)力集中位置之間，建立具體的對應(yīng)關(guān)系方面，開展更深入的研究。

(5) 目前，基于檢測得到的磁記憶信號，還無法獲得有關(guān)缺陷的全面信息，也就無法對被檢測對象的具體損傷情況給出定量的評估，即現(xiàn)有的磁記憶檢測技術(shù)，僅能作為判斷鐵磁性金屬構(gòu)件是否存在危險的一種初步判斷方法。

3.2 磁記憶檢測技術(shù)的展望

磁記憶檢測是一種以電磁學(xué)、無損檢測斷裂力學(xué)以及金屬學(xué)等多個學(xué)科知識為基礎(chǔ)形成的檢測技術(shù)，目前在相應(yīng)基礎(chǔ)理論的研究、儀器設(shè)備的研發(fā)以及檢測結(jié)果量化、損傷程度評估等方面均還存在不少有待解決的難題。鑒于此，筆者認(rèn)為，磁記憶檢測技術(shù)未來的發(fā)展方向是：

(1) 對磁記憶效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理及其影響因素，要通過更深入的理論探索及應(yīng)用研究，盡早在業(yè)界達(dá)成共識，形成一套嚴(yán)密的理論體系。

(2) 十分有必要形成一套相應(yīng)漏磁場信號與鐵磁性金屬構(gòu)件損傷情況的具體量化標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 磁記憶檢測應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)許多領(lǐng)域中的金屬構(gòu)件缺陷的早期診斷，因此，應(yīng)該研發(fā)制造出專門針對不同領(lǐng)域特點(diǎn)的磁記憶檢測裝置，并形成與之相配套的數(shù)據(jù)處理分析方法。

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The Current Research Status and Prospects of Magnetic Memory Testing Technology

QIAO Tian-jiao, HUANG Song-ling, ZHAO Wei, WANG Shen

(State Key of Power Systems Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Magnetic memory testing technology is an effective method capable of the early diagnosis of ferro-magnetic metal component defects. This paper briefly introduces the basic principle of magnetic memory testing, analyses the unique advantages of magnetic memory testing by the comparison with other detection, summarizes the development status quo at home and abroad from the aspect of basic theory and the aspect of instrument manufacture and application respectively, proposes the key problem to be solved of the magnetic memory testing technology, and finally forecasts the development direction of magnetic memory testing in the future.

Magnetic memory testing；Stress concentration；Magnetostriction；Early diagnosis

2015-06-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277101)

喬天驕(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o損檢測技術(shù)。

黃松嶺，E-mail:huangsling@tsinghua.edu.cn。

10.11973/wsjc201611003

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0016-05