基于磁記憶檢測技術(shù)的游樂設(shè)施檢測方法研究

白星

摘要：在大型游樂設(shè)施中，銷軸類部件以及焊縫作為核心金屬連接件，承載較大載荷，起到關(guān)鍵的連接作用，直接涉及到人身和設(shè)備安全。在每年的定期檢驗過程中，對所規(guī)定的游樂設(shè)施重要軸、銷軸的要求是進行不低于20%的無損探傷，而常規(guī)的無損檢測方法只能檢測出已然存在的宏觀缺陷。本文討論了常規(guī)無損檢測技術(shù)在游樂設(shè)施中的應(yīng)用，提出了磁記憶檢測技術(shù)可以對游樂設(shè)施金屬部件缺陷起到早期預(yù)報作用，磁記憶信號梯度值K可以表征45鋼缺陷的部位。在一定程度上，彌補了常規(guī)無損檢測方法無法探傷軸的內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)等缺陷早期形態(tài)的不足。

Abstract： In the large-scale amusement facilities， the pin parts and the weld as the core metal connector， carry a large load， and play a key role in connection， so they are directly related to personal and equipment safety. In the annual periodic inspection process， the required requirements of the amusement facilities axis， pin requirements are not less than 20% of the nondestructive testing， and conventional non-destructive testing methods can only detect the existing macroscopic defects. In this paper， the application of conventional nondestructive testing technology in recreational facilities is discussed. It is proposed that magnetic memory detection technology can play an early warning role in the defects of metal parts of recreational facilities. The magnetic memory signal gradient K can characterize the defects of 45 steel defects， which， to a certain extent， make up for the conventional non-destructive testing methods can not detect the shaft of the internal stress concentration area defects such as the early form of deficiencies.

關(guān)鍵詞：游樂設(shè)施；無損檢測；磁記憶；應(yīng)力集中；預(yù)報

Key words： recreational facilities；nondestructive testing；magnetic memory；stress concentration；prediction

中圖分類號：X941 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0131-03

1 研究背景

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展使人們對生活品質(zhì)的追求也越來越高，由于大型游樂設(shè)施能夠滿足人們的感官刺激和冒險心理，相應(yīng)的主題公園正在蓬勃發(fā)展，并呈現(xiàn)出高空、高速、高刺激的發(fā)展趨勢。大型游樂設(shè)施在給人們提供精神和身體上享受的同時，也存在一定的風(fēng)險，在其運行過程中擺動幅度大、速度快、慣性大、涉及范圍廣，一旦設(shè)備失控或者安全防護措施不到位，將會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。大量事故案例表明，由于大型游樂設(shè)施公共性強的特點，極易造成社會恐慌并引起廣泛關(guān)注。

由于游樂設(shè)施自身運行特點，部分可能產(chǎn)生相對運動的金屬部件，其應(yīng)力集中區(qū)在交變載荷的作用下最容易發(fā)生斷裂。根據(jù)經(jīng)驗，金屬部件在承受交變載荷時，即使載荷的大小處于彈性范圍之內(nèi)也會產(chǎn)生疲勞斷裂。疲勞斷裂是一種突發(fā)情況，帶來的危險不言而喻。在工程實際中，我們更希望對游樂設(shè)施重要的金屬部件將要發(fā)生疲勞破壞的位置進行提前預(yù)判，而并非是發(fā)生破壞后再進行分析。

2 游樂設(shè)施無損檢測技術(shù)要求

GB8408-2008中給出了游樂設(shè)施制造和安裝過程中無損檢測的具體要求。

①涉及到人身安全的重要的軸、銷軸，應(yīng)進行100%的超聲波與磁粉或滲透探傷。涉及到人身安全的重要焊縫，應(yīng)進行100%的磁粉或滲透探傷。超聲波探傷方法和質(zhì)量評定按GB/T4162有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，檢驗質(zhì)量等級不低于A級。厚度大于250mm的零件超聲波檢驗方法和質(zhì)量評定按GB/T6402有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，檢驗質(zhì)量等級不低于2級。②磁粉探傷方法與質(zhì)量評定按NB/T47013.4有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，檢驗質(zhì)量等級不低于III級。滲透探傷方法與質(zhì)量評定按NB/T47013.5有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，檢驗質(zhì)量等級不低于III級。③有必要進行焊縫射線探傷的，其探傷方法與質(zhì)量評定按JB/T4730有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，檢驗質(zhì)量等級不低于II級[1]。

按照游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗規(guī)程（試行）和通用技術(shù)條件的相關(guān)要求，滑行車的車輪軸、立軸、水平軸、車輛連接器的銷軸、陀螺轉(zhuǎn)盤油缸、吊廂等處的銷軸、飛行塔吊艙吊掛軸、賽車車輪軸、自控飛機大臂、油缸、座艙處的銷軸、觀覽車吊艙吊掛軸、單軌列車聯(lián)接器銷軸等每年應(yīng)進行不低于20%的超聲波與磁粉（或滲透）探傷。轉(zhuǎn)馬中心支撐軸、旋轉(zhuǎn)座艙立軸和曲柄軸、陀螺轉(zhuǎn)盤主軸及大臂、飛行塔主軸、自控飛機主軸、規(guī)矩不小于600mm的小火車車輪、連接器等重要軸、銷軸及水上游樂設(shè)施的重要零部件至少在大修時應(yīng)探傷[2]。

3 無損檢測技術(shù)在游樂設(shè)施中的應(yīng)用

射線檢測在游樂設(shè)施定期檢驗中不作要求。只有對滑行車類游藝機，當(dāng)滑行車類游藝機的車速不小于50km/h時，必要時需對軌道對接焊縫進行射線探傷?；熊囶愑嗡嚈C的軌道一般采用鋼管或者工字鋼，壁厚較小，常規(guī)的射線探傷即可滿足要求[3]，得到合格的底片就可以對缺陷進行定性和定量。

超聲檢測主要是應(yīng)用于游樂設(shè)施中直徑大于Φ12的重要軸和銷軸，在制造或安裝過程中要進行100%的超聲探傷，定期檢驗要求進行不低于20%抽檢，超聲波探傷方法和質(zhì)量評定按GB/T4162有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，檢驗質(zhì)量等級不低于A級。脈沖反射波形中包含著缺陷位置和大小等信息，該方法對裂紋缺陷較為敏感。

磁粉檢測首先要對被檢部件表面進行預(yù)處理，通過一個外加磁場將工件磁化，然后觀察磁粉在外加磁場作用下的磁痕，缺陷的信息通過磁痕可以直觀的顯示出來，易于辨認。但磁粉檢測方法容易受工件結(jié)構(gòu)形狀、材質(zhì)等方面的制約[4]。游樂設(shè)施的焊縫以及金屬零部件不允許出現(xiàn)超標裂紋，在檢驗過程中應(yīng)對被檢部件進行90°方向的交叉磁化檢測，以降低漏檢率。

滲透檢測前一般必須對被檢部件進行清潔和干燥處理，表面不得有影響滲透效果的鐵銹及各種防護層等。檢驗程序一般分為清洗、滲透、去除、干燥、顯像。從某種程度上說，滲透檢測是作為磁粉檢測的輔助檢測手段，即在某些情況下，由于材料或其結(jié)構(gòu)形狀等原因，有些部位不利于磁粉檢測和其他檢測方法有效進行，那么滲透檢測法便派上用場。

上述四大類常規(guī)無損檢測方法是目前游樂設(shè)施檢驗檢測中最常用的檢測方法，其技術(shù)成熟，操作較為簡單方便快捷。但是，它們卻有共同的不足點，即只能檢測出已經(jīng)存在的宏觀缺陷，對檢測出部件的應(yīng)力集中區(qū)——缺陷成型的早期形態(tài)顯得無能為力。

4 磁記憶檢測技術(shù)在游樂設(shè)施檢驗中的應(yīng)用

20世紀末，俄羅斯學(xué)者杜波夫提出了一種新的無損檢測方法——金屬磁記憶檢測法。金屬磁記憶檢測法的原理是在地磁場環(huán)境下，當(dāng)外載荷作用于構(gòu)件上時，構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)會在磁機械效應(yīng)的作用下使磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生定向移動和不可逆的重新取向，表現(xiàn)為在構(gòu)件表面形成漏磁場，載荷卸去后漏磁場不會消失，且這種溢出工件表面的漏磁場強度與內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)，且大于地磁場，因此可以通過分析構(gòu)件表面的漏磁場得到構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力和變形情況。對于應(yīng)力集中區(qū)域往往是缺陷產(chǎn)生前的征兆，當(dāng)可以對應(yīng)力集中區(qū)或者缺陷的發(fā)展進行準確判定時，便可以認為該檢測方法具有預(yù)報作用。金屬磁記憶檢測恰恰具有這種預(yù)報作用，這也是它的突出優(yōu)點。

試驗采用應(yīng)用廣泛的游樂設(shè)施銷軸用45鋼，作為一種經(jīng)濟、安全、實用的游樂設(shè)施軸、銷軸用鋼，目前在我國大型游樂設(shè)施制造領(lǐng)域里用途較廣，用量較大。45鋼其屈服強度為355MPa，抗拉強度為600MPa。試驗采用45鋼標準試件，掃描長度200mm，在中心部位提前預(yù)制了裂紋缺陷，模擬應(yīng)力集中區(qū)。在WI-60萬能材料試驗機上加載載荷從0kN到15kN，以5kN的幅度遞增，當(dāng)加載到指定載荷后保持載荷不變持續(xù)3分鐘。為了減少夾頭磁性對試驗結(jié)果的影響，本試驗檢測時取下試件進行離線測量，即拉伸到預(yù)定載荷并保持到預(yù)定時間，然后卸載，記錄各級載荷下試件表面垂直焊縫方向的磁記憶信號。每次測量試件磁信號的位置和檢測方向保持一致，一次測量完畢之后，把試件重新安裝到拉伸機上進行下一次加載，為了保證試驗結(jié)果的準確性，試件在拉伸機上應(yīng)重復(fù)上一次的擺放位置。

試件表面磁記憶信號梯度值K為相鄰兩測點間的Hp（y）之差與兩測點間距離Δx的比值，其計算公式可表示為：45鋼在拉伸試驗過程中，試件表面磁記憶信號的梯度值分布如圖1所示。由圖1可以看出，在試件預(yù)制缺陷處，即掃描線的中心部位，梯度曲線出現(xiàn)了大幅度凸起，達到了極大值，由此可見，磁記憶信號梯度值這一特征量可以用來表明45鋼缺陷的位置。在拉伸試驗前，試件的梯度值在缺陷位置出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，極大值大約為8。不難發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸載荷的增大，Kmax整體上是呈上升趨勢。在45鋼的彈性階段，即0-10kN期間，Kmax變化范圍為8-25左右，Kmax是隨著拉伸載荷的增大而提高，但提高的幅度不是很大。當(dāng)進入屈服階段，即拉伸載荷有10kN漸變?yōu)?5kN，梯度極大值Kmax激增到60左右。因而，根據(jù)梯度極大值Kmax的變化情況我們可以判斷試件內(nèi)部的一個應(yīng)力水平。

金屬磁記憶檢測技術(shù)具有較強的靈敏度，其結(jié)果方便檢測人員觀察，所以在平時的游樂設(shè)施檢驗過程中確定部件表面甚至是內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)是方便快捷的。更重要的是，磁記憶檢測技術(shù)作為一種全新的無損探傷方法，它直接向著實現(xiàn)準確判定金屬部件的早期缺陷的方向發(fā)展，與其他無損檢測方法比較，總結(jié)出了磁記憶檢測技術(shù)的四個特點：①地球所產(chǎn)生的天然地磁場就能夠滿足金屬磁記憶檢測所需的磁場條件，這就省去了游樂設(shè)施檢驗過程中磁化部件這一道工序；②磁記憶檢測可以適應(yīng)各種條件下的工件，工件表面狀態(tài)對檢測結(jié)果影響不大，因此我們就可以在游樂設(shè)施原有狀態(tài)下直接檢測，不需要過多的預(yù)處理，這就方便了對再役游樂設(shè)施的檢驗檢測；③檢測結(jié)果直觀，方便觀察定性；④檢測設(shè)備便于攜帶，檢測速度較快。設(shè)備操作簡便，顯示直觀[5]。

5 結(jié)論

①大型游樂設(shè)施公共性強，出現(xiàn)任何性質(zhì)的事故都會造成社會恐慌并引起廣泛關(guān)注。因此迫切需要找到一種可以提前預(yù)判游樂設(shè)施金屬構(gòu)件缺陷部位的檢驗方法。②無損檢測技術(shù)在確保游樂設(shè)施制造安裝質(zhì)量和使用過程中的安全運行扮演著重要角色，然而常規(guī)的無損檢測只能檢測出已經(jīng)存在的宏觀缺陷。金屬磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測方法，可以對游樂設(shè)施金屬部件缺陷起到早期預(yù)報和在線監(jiān)測的作用，彌補了常規(guī)無損檢測方法無法探傷軸的內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)等缺陷早期形態(tài)的不足。③利用磁記憶信號梯度值這一特征量可以表征45鋼缺陷的部位，通過分析梯度極大值Kmax的變化情況可以初步判斷出45鋼試件內(nèi)部的應(yīng)力集中程度。

參考文獻：

[1]GB8408-2008，游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].2008.

[2]國質(zhì)檢鍋[2002]24號，游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗規(guī)程（試行）[Z].2002.

[3]沈功田，姚澤華，吳彥.游樂設(shè)施的無損檢測技術(shù)[J].無損檢測，2006，28（12）：652-654.

[4]李志剛.淺談磁粉檢測在壓力容器檢驗中的應(yīng)用[J].價值工程，2014：19-20.

[5]張世亮.金屬構(gòu)件疲勞損傷的磁記憶檢測試驗研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015：1-4.