金屬磁記憶技術(shù)在水電站蝸殼焊縫檢測上的應(yīng)用

徐良玉，劉海云，曹 波，張 帆，鄧金榮

(1.國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江建德311600；2.浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，浙江杭州310000)

金屬磁記憶檢測是俄羅斯Dubov.A.A教授于20世紀90年代初提出，并于90年代后期發(fā)展起來的一種材料應(yīng)力集中和疲勞損傷無損檢測與診斷的新方法[1]。我國是在1999年底開始引進此項技術(shù)，引起了國內(nèi)同行的廣泛關(guān)注和高度重視，目前該技術(shù)在我國水電行業(yè)的應(yīng)用，尚處于探索階段。

新安江水電站蝸殼焊縫磁記憶檢測結(jié)果表明，該技術(shù)在水電行業(yè)金屬結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制上，具有極強的針對性及適應(yīng)性，解決了傳統(tǒng)檢測步驟中打磨帶來的時間成本及人工成本；通過檢測應(yīng)力集中這一特征參數(shù)，極大的縮小了后續(xù)無損檢測的范圍，保障水電機組安全，提高檢測效率。

1 蝸殼焊接結(jié)構(gòu)特點及其常規(guī)檢測方法

蝸殼是水電廠水輪發(fā)電機組的主要組件之一，其結(jié)構(gòu)特點如圖1所示。

圖1是蝸殼整體效果，其結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場組焊，板材對接焊接，X形坡口，表面涂有防腐層，圖2是圖1中位置1的局部剖面圖。蝸殼焊接結(jié)構(gòu)的特點在于焊縫集中且數(shù)量大，表面涂層不光滑，且厚度普遍大于1 mm；蝸殼板材厚度d范圍在30～130 mm之間，依據(jù)結(jié)構(gòu)位置不同而有所變化。

蝸殼焊縫焊接過程中可能產(chǎn)生的缺陷包括表面裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未融合、咬邊、焊縫尺寸缺陷等[2]；蝸殼在投用過程中，主要可能產(chǎn)生的缺陷包括表面銹蝕、應(yīng)力開裂等。

針對上述問題，當前的檢測方法是對蝸殼內(nèi)表面焊縫按照一定比例抽檢(如抽檢10%對接焊縫)，步驟包括：①砂輪打磨，要求打磨至焊縫表面漏出金屬光澤；②通過MT、UT、RT、TOFD等無損檢測方法，檢測焊縫的表面、內(nèi)部質(zhì)量；③數(shù)據(jù)分析，出具檢測結(jié)果報告。

圖1 蝸殼整體示意

圖2 位置1局部對接焊縫剖面示意

傳統(tǒng)檢測方法考慮到打磨、檢測環(huán)節(jié)的效率，故按一定比例抽檢，其局限在于抽檢的盲目性，可能造成缺陷的漏檢問題。如果在傳統(tǒng)檢測工藝中加入金屬磁記憶檢測技術(shù)，可有效的解決上述問題。

磁記憶檢測方法的優(yōu)點之一是：掃查速度快，金屬表面的涂層、粗糙度對磁記憶檢測無影響。在傳統(tǒng)檢測步驟之前，通過磁記憶技術(shù)，預(yù)先檢測應(yīng)力集中區(qū)域，進而針對應(yīng)力集中區(qū)域進行打磨、常規(guī)無損檢測等后續(xù)步驟，則可極大的提高檢測效率，減小漏檢的幾率。

2 金屬磁記憶檢測原理及方法

2.1 磁記憶技術(shù)原理

鐵磁材料構(gòu)件存在磁致伸縮效應(yīng)，即當改變構(gòu)件的磁化狀態(tài)時會導(dǎo)致構(gòu)件幾何尺寸的微量變化；反之，若對構(gòu)件施以機械應(yīng)力改變其幾何尺寸和體積，會使構(gòu)件中磁化狀態(tài)發(fā)生改變，此為磁致伸縮逆效應(yīng)或機械磁效應(yīng)[3]。

金屬構(gòu)件在工作過程中受到應(yīng)力作用后產(chǎn)生形狀和體積的改變，必然會引起磁化狀態(tài)發(fā)生變化。磁機械效應(yīng)使得鐵磁性金屬工件在應(yīng)力作用區(qū)表面的磁場增強，增強后的磁場“記憶”了部件應(yīng)力集中的位置，這就是磁記憶效應(yīng)。

金屬構(gòu)件內(nèi)部宏觀缺陷、表面裂紋尖端，具有應(yīng)力集中現(xiàn)象，利用磁記憶檢測儀對鐵磁構(gòu)件表面法向磁場HP(y)的檢測便可以有效地發(fā)現(xiàn)構(gòu)件中的應(yīng)力集中部位[3～5]。

2.2 金屬磁記憶檢測方法

實驗用TSC-1M- 4型應(yīng)力集中磁檢測儀，該儀器是應(yīng)用金屬磁記憶法來測量、記錄和處理設(shè)備與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力形變狀況的診斷數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

(2)已經(jīng)產(chǎn)生嚴重塑性變形的應(yīng)該進行處理。

(3)對常規(guī)無損檢測方法發(fā)現(xiàn)缺陷的部位，但磁記憶檢測未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中，表明結(jié)構(gòu)強度未受影響，不用做去應(yīng)力處理；依據(jù)行業(yè)標準進行消缺處理。

3 實驗室模擬試驗結(jié)果分析

蝸殼現(xiàn)場存在磁場干擾。磁記憶檢測技術(shù)原理是提取應(yīng)力集中處的磁信號，基于這一特征，驗證磁記憶技術(shù)在蝸殼現(xiàn)場檢測過程中的適用性、以及周圍磁場的影響，尤為重要。

取規(guī)格為30 mm×500 mm×25 mm的拉伸試樣在實驗室環(huán)境(無磁場干擾)、蝸殼現(xiàn)場環(huán)境(周圍存在磁場)下分別進行磁記憶檢測，箭頭為傳感器掃查方向。對比分析，驗證蝸殼工況下磁記憶檢測技術(shù)的可行性。

試樣在拉伸狀態(tài)下，金屬內(nèi)部存在應(yīng)力集中，松開夾持端，試樣內(nèi)仍存在殘余應(yīng)力，經(jīng)磁記憶檢測，試樣的塑性變形處及后面部分存在應(yīng)力集中。圖3、4是我們所用儀器(型號為TSC-1M- 4)的檢測結(jié)果，采用四通道并行排列傳感器，四根不同顏色的曲線是各自傳感器的采樣值，其中Hp- 4感應(yīng)地磁場。

首先從兩組數(shù)據(jù)的左側(cè)圖譜上分析，兩幅圖的整體波動形狀無顯著差異，測得應(yīng)力集中區(qū)域均為：Lx=340～490，依據(jù)評估方法，曲線存在跳躍性變化，工件內(nèi)部存在應(yīng)力集中。

圖3 實驗室檢測數(shù)據(jù)

圖4 蝸殼現(xiàn)場環(huán)境檢測數(shù)據(jù)

工作環(huán)境磁記憶檢測參數(shù)特征值KmaxИНKСРИΗm(max)Hp?4?KmaxИНHp?4?KСРИΗHp?4?m(max)實驗室環(huán)境200003137403100002144679蝸殼現(xiàn)場環(huán)境3000031313541200002627628

應(yīng)力集中的判定首先為測得曲線的波動性，再而m(max)值，蝸殼周圍的磁場干擾對曲線的整體形狀無影響，對特征量m(max)有一定的影響，但并不影響應(yīng)力集中結(jié)果的判定。則可認為，磁記憶檢測技術(shù)適用于蝸殼現(xiàn)場檢測環(huán)境。

4 蝸殼焊縫磁記憶檢測結(jié)果分析

圖5 磁記憶診斷

圖6 磁記憶診斷

圖7 磁記憶診斷

5 磁記憶檢測技術(shù)在水電站蝸殼焊縫檢測中的應(yīng)用評價

磁記憶方法能否檢測缺陷，是目前該領(lǐng)域研究的問題之一。當前的共識是，磁記憶可以用來檢測鐵磁性構(gòu)件的應(yīng)力集中部位，但這并不等同于宏觀缺陷。如何通過組織的應(yīng)力集中情況，結(jié)合宏觀檢測及常規(guī)無損檢測手段，用以反映工件缺陷的存在、以及缺陷對工件安全性的影響，是磁記憶方法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的重要意義。

根據(jù)磁記憶技術(shù)的原理及其特點，該技術(shù)的檢測時機在常規(guī)無損檢測之前，作為整個檢測過程的一個環(huán)節(jié)。其意義在于檢測應(yīng)力集中，進而針對應(yīng)力集中區(qū)域進行常規(guī)無損檢測，以達到縮小檢測范圍、提高檢測效率、提高缺陷檢出率的目的。

除上述應(yīng)用之外，在水電領(lǐng)域，磁記憶技術(shù)也可用來評估金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)，早期診斷疲勞損壞，以及設(shè)備、構(gòu)件的壽命預(yù)評估。

6 結(jié) 語

金屬磁記憶方法作為一項新興的無損檢測技術(shù)，理論基礎(chǔ)仍不完善，但其在應(yīng)力集中檢測上的獨到之處，已得到業(yè)內(nèi)的廣泛認可。隨著磁記憶理論的不斷完善，弱磁檢測技術(shù)發(fā)展成熟，相關(guān)標準、法規(guī)的制定，磁記憶檢測技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于水電檢測、石油化工、航空航天、輕工、冶金、建筑等諸多領(lǐng)域，在特種設(shè)備以及重要金屬部件的質(zhì)檢、安全性評價等方面的應(yīng)用更為廣泛，在產(chǎn)生經(jīng)濟效益的同時，為我國工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展保駕護航。

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