特種設(shè)備金屬磁記憶檢測(cè)方法探究

梁志剛

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院中山檢測(cè)院，廣東 中山 528403）

特種設(shè)備金屬磁記憶檢測(cè)方法探究

梁志剛

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院中山檢測(cè)院，廣東 中山 528403）

承壓類設(shè)備構(gòu)件中應(yīng)力集中的分析，一直都是無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)以其可靠性和穩(wěn)定性，居于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要地位。在特種設(shè)備微觀、宏觀缺陷的檢測(cè)中，是一種重要的檢測(cè)手段。本文闡述金屬磁記憶的基本原理，并在工程實(shí)踐中加以實(shí)踐。

應(yīng)力集中；無(wú)損檢測(cè)；金屬磁記憶；特種設(shè)備

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越多的應(yīng)用特種設(shè)備。所謂的特種設(shè)備是指壓力容器、鍋爐、電梯、管道以及大型工程設(shè)備等各種危險(xiǎn)性大涉及生命安全的承壓類設(shè)備。在這些大型結(jié)構(gòu)中，不論是焊接、鑄造、鍛造還是機(jī)加工，總是會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)形成缺陷，造成應(yīng)力集中。大量數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)的損壞失效都是發(fā)生在機(jī)械應(yīng)力集中的位置。內(nèi)應(yīng)力與其加工技術(shù)（焊接、機(jī)械加工、熱處理、鍛造等）息息相關(guān)。雖然已經(jīng)意識(shí)到對(duì)特種設(shè)備進(jìn)行全面安全檢查的需要，但實(shí)際上，需要大量時(shí)間和人力來(lái)完成任務(wù)。因此，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法（超聲波、X射線、磁檢測(cè)等）由于其操作復(fù)雜，如測(cè)量表面和人工磁化的檢測(cè)需要對(duì)其表面清洗。由于傳感器的自身結(jié)構(gòu)的不足，嚴(yán)重影響了大型設(shè)備和大跨度結(jié)構(gòu)檢測(cè)。在本文中，應(yīng)用了一種新型的金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。該方法不需要處理被測(cè)物體的表面，廣泛地應(yīng)用于各種特種設(shè)備的應(yīng)力檢測(cè)且檢測(cè)速度非?？臁?/p>

1 金屬磁記憶原理及特點(diǎn)

1.1 金屬磁記憶原理

金屬磁記憶檢測(cè)方法的應(yīng)用是基于鐵磁部件在工作條件下的磁記憶效應(yīng)。當(dāng)在鐵磁場(chǎng)環(huán)境中外部負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生磁疇取向具有磁致伸縮特性和在應(yīng)力集中區(qū)的不可逆重新定向，使鐵磁部件磁導(dǎo)率逐漸降低達(dá)到最小，在金屬表面上形成渦流，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)。漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量的具有最大值和法線分量改變符號(hào)，并且具有零值。在移除工作負(fù)載之后，磁性狀態(tài)的不可逆變化的情況下保持原有狀態(tài)，并且記錄下應(yīng)力集中的位置，這稱為磁記憶效應(yīng)。

1.2 金屬磁記憶特點(diǎn)

在工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛使用的常規(guī)NDT方法是：X射線測(cè)試、超聲波測(cè)試、磁檢測(cè)、渦流測(cè)試和γ穿透測(cè)試，其中每一種都有使用限制條件，并且只能檢測(cè)宏觀缺陷，以檢測(cè)材料隱性不連續(xù)區(qū)域（即應(yīng)力集中）存在限制。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)不僅可以發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，而且還可以用于指示應(yīng)力集中的位置，有無(wú)宏觀缺陷，因此具有預(yù)警能力。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)主要的技術(shù)特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

第一它是鐵磁部件檢測(cè)應(yīng)力集中最安全可靠的檢測(cè)方法，非接觸式和無(wú)損傷性。

第二在特殊磁性裝置中不需要使用磁場(chǎng)，并且通過(guò)在工件的制造和使用期間形成的自泄漏磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵磁部件的快速檢測(cè)。這是第二次利用自身結(jié)構(gòu)傳輸信息的方式。

第三不需要清潔拋光或以其他方式處理的待檢測(cè)工件的表面。降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率。

第四設(shè)備便攜，易于操作，靈敏度好，重復(fù)性和可靠性高。

2 金屬磁記憶檢測(cè)中應(yīng)力集中區(qū)信號(hào)的識(shí)別

2.1 金屬磁記憶檢測(cè)準(zhǔn)則

金屬磁記憶方法的基本原理是在地磁場(chǎng)的環(huán)境下記錄金屬設(shè)備的磁場(chǎng)?；阼F磁性的基本理論，可以很好地解釋漏磁場(chǎng)的原因。由于金屬結(jié)構(gòu)的不均勻性，

在地磁場(chǎng)中，在外部應(yīng)力集中將產(chǎn)生集中的高應(yīng)力能量，降低材料的疲勞極限。根據(jù)原子最低能態(tài)原理，材料分子結(jié)構(gòu)的最穩(wěn)定狀態(tài)是產(chǎn)生疇壁錯(cuò)位，主要是增加磁彈性能量的形式，以抵消應(yīng)力集中。在增加總自由能不變的形式下，可以使應(yīng)力集中產(chǎn)生的應(yīng)力能量趨勢(shì)最小，這是比鐵磁部件中磁場(chǎng)強(qiáng)度更高于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的泄漏磁場(chǎng)強(qiáng)。由于金屬的各種內(nèi)耗效應(yīng)的存在，消除金屬后動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中區(qū)載荷得以保持。待測(cè)鐵磁部件上散射的漏磁場(chǎng)與機(jī)械應(yīng)力分布的變化(MPa)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

2.2 金屬磁記憶信號(hào)處理

在磁記憶測(cè)試中，通過(guò)傅立葉變換分析，信號(hào)能量主要分布在低頻范圍內(nèi)，高次諧波表現(xiàn)為噪聲干擾。磁記憶信號(hào)頻譜相當(dāng)寬屬于隨機(jī)信號(hào)，準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)頻率不確定，所以說(shuō)傅立葉變換分析只能對(duì)磁記憶信號(hào)時(shí)域的性質(zhì)進(jìn)行研究，小波變換分析拓寬了這一思路，把磁記憶信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)到頻域。磁記憶信號(hào)激勵(lì)主要包含尖脈沖噪聲和白噪聲，應(yīng)用小波變換的方式在不同的時(shí)間尺度下研究磁記憶信號(hào)的幅頻特性。

當(dāng)激勵(lì)為尖脈沖信號(hào))(tδ時(shí)，應(yīng)用小波變換：

從金屬磁記憶的工程實(shí)驗(yàn)和機(jī)理來(lái)看，應(yīng)力集中區(qū)域或微損傷突變常常表示為局部奇異性和區(qū)域中的不規(guī)則磁性磁記憶信號(hào)（最大），在這些特殊位置往往具有更重要的信息。頻譜在去噪之后從低頻信號(hào)中檢測(cè)到，也可能被丟失，因?yàn)橐恍┕收咸卣餍盘?hào)被過(guò)濾掉，也可能是被漏檢?；诖糯鎯?chǔ)器信號(hào)的奇點(diǎn)理論基礎(chǔ)，從檢測(cè)低頻和高頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，這是從時(shí)域和頻域?qū)Υ庞洃浶盘?hào)的奇異傳播特性來(lái)檢測(cè)，確定應(yīng)力區(qū)域的位置和其特性。

3 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

熱處理的目的是消除焊接殘余應(yīng)力并提高接頭的性能。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是確定設(shè)備的應(yīng)力分布，然后在應(yīng)力分布圖分析計(jì)算得出應(yīng)力極大值點(diǎn)，確定該區(qū)域。所以，檢測(cè)過(guò)后的對(duì)接焊焊縫應(yīng)力明顯降低，對(duì)熱處理前后的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到準(zhǔn)確詳盡的數(shù)據(jù)資料，可以對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程優(yōu)化和評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)表明，亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體不銹鋼經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的塑性變形之后，晶相發(fā)生變化，產(chǎn)生的馬氏體具有磁效應(yīng)。這使得金屬磁記憶檢測(cè)方法得以在不銹鋼結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。

3.1 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)在碳鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

焊接是制造工件的重要的工藝過(guò)程，但是在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的高溫，造成了區(qū)域溫度分布不均進(jìn)而造成材料的熱脹冷縮不均勻，焊接殘余應(yīng)力無(wú)法全部被釋放出來(lái)。由于焊接殘余應(yīng)力的影響，加速了材料的疲勞損傷，導(dǎo)致材料產(chǎn)生脆性斷裂，加速材料的磨損，誘導(dǎo)材料的腐蝕產(chǎn)生蠕變等許多不良現(xiàn)象。消除焊接的殘余應(yīng)力成為提高焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，現(xiàn)在普遍的采用熱處理的方式消除焊接的殘余應(yīng)力，在高溫的條件下實(shí)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的釋放，而且熱處理還能較好的提高焊接接頭的機(jī)械性能。大型設(shè)備的裝配大都是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，因而限制了熱處理的應(yīng)用。通過(guò)金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程的焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)，隨時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程中的工藝參數(shù)，因此能達(dá)到較高的施工質(zhì)量，最終工程的質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)的諸多的不確定因素相關(guān)，影響對(duì)特種設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

3.2 金屬磁記憶技術(shù)在不銹鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)鐵磁部件表面的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)確定工件的應(yīng)力集中或潛在危險(xiǎn)區(qū)域。生產(chǎn)特種設(shè)備尤其是耐腐蝕性容器和壓力容器的材料大都是不銹鋼，不銹鋼材料不是鐵磁材料。最新的研究表明，亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體不銹鋼經(jīng)過(guò)劇烈塑性變形，晶像產(chǎn)生位錯(cuò),位錯(cuò)堆將發(fā)展成馬氏體結(jié)構(gòu)的微團(tuán)簇。馬氏體具有強(qiáng)烈的磁效應(yīng),基于此在不銹鋼焊縫的檢測(cè)中應(yīng)用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以快速地對(duì)鐵磁部件的應(yīng)力集中位置進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確有效地檢測(cè)焊縫宏觀缺陷，異常信號(hào)檢測(cè)范圍基本上覆蓋了傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，以其可靠性和穩(wěn)定性受到工程人士和專家學(xué)者的青睞，但是并非所有的現(xiàn)象都能找到有力的理論支持，需要專家學(xué)者進(jìn)一步的研究發(fā)展金屬磁記憶理論。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)需要進(jìn)一步討論和研究。雖然本文提出了金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的基本內(nèi)容，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，需要在實(shí)踐中進(jìn)行測(cè)試。

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