直流磁探在特種設(shè)備檢驗(yàn)的應(yīng)用研究

賴曉龍

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院，福建龍巖 364000）

0 引言

磁粉檢測(cè)的物理基礎(chǔ)：鐵磁性材料和工件被磁化后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下目視可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、形狀和大小，這就是磁粉檢測(cè)（Magnetic Particle Testing，MT）。改革開放以來(lái)，磁粉檢測(cè)技術(shù)方興未艾，隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷改進(jìn)，磁粉檢測(cè)是當(dāng)前較為主流的無(wú)損檢測(cè)方法之一，已經(jīng)在許多行業(yè)中的鐵磁性材料表面以及近表面缺陷無(wú)損檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于漏磁場(chǎng)的形成，主要是空氣的磁導(dǎo)率明顯比鐵磁性材料磁導(dǎo)率弱，當(dāng)某個(gè)存在裂紋且已經(jīng)磁化的鐵磁性部件上，可以表現(xiàn)出非常強(qiáng)的磁感應(yīng)線，從而會(huì)導(dǎo)致某中的一部分磁感應(yīng)線從裂紋中或缺陷下部繞過(guò)，最終導(dǎo)致磁感應(yīng)線形成不斷的壓縮，但其部件中的壓縮能力，具有一定的限制。因此，存在缺陷的部件中的磁感應(yīng)線數(shù)目也會(huì)有所限制。在受到同性磁感應(yīng)線相斥的影響，會(huì)導(dǎo)致許多磁感應(yīng)線穿過(guò)裂紋，而另一部分磁感應(yīng)線則會(huì)受到折射定律的作用，在其部件表面垂直地進(jìn)入空氣中去繞過(guò)缺陷又折回工件，最終形成漏磁場(chǎng)。通過(guò)這種方式所形成的漏磁場(chǎng)，其寬度遠(yuǎn)比缺陷實(shí)際寬度更大，甚至超出數(shù)十倍之多。因此，磁痕對(duì)缺陷寬度會(huì)產(chǎn)生放大，可以讓肉眼不可見的缺陷轉(zhuǎn)變成為可視磁痕使。磁粉檢測(cè)的靈敏度主要在于漏磁場(chǎng)的大小，漏磁場(chǎng)越大，吸附磁粉的能力越強(qiáng)，顯現(xiàn)的磁痕也越明顯。

研究表明，由于缺陷所導(dǎo)致的漏磁場(chǎng)大小，并不會(huì)與其部件的磁化程度存在關(guān)系。通常情況，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度必須要超過(guò)產(chǎn)生最大磁導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而可以讓其磁導(dǎo)率降低，磁阻增加，漏磁場(chǎng)增大。如果鐵磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)度處于飽和值80%左右，其漏磁場(chǎng)會(huì)表現(xiàn)出快速增大的現(xiàn)象。

1 直流磁探的優(yōu)劣點(diǎn)

在磁粉檢測(cè)中，磁軛連續(xù)法是應(yīng)用最廣的方法之一，尤其是在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)當(dāng)中，NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)—磁粉檢測(cè)》進(jìn)行了檢測(cè)規(guī)定。近年來(lái)，隨著便攜式電磁軛技術(shù)的不斷優(yōu)化，便攜式磁探機(jī)廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備檢驗(yàn)當(dāng)中。這主要受益于便攜式磁探具有以下優(yōu)點(diǎn)：①非電接觸；②改變磁軛方位，可發(fā)現(xiàn)任何方向的缺陷；③便攜式磁軛可帶到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，靈活，方便；④可用于檢測(cè)帶漆層的工件（當(dāng)漆層厚度允許時(shí)）；⑤檢測(cè)靈敏度較高。

磁軛連續(xù)法由使用的電流不同分為交流電磁軛和直流電磁軛，兩者具有如下優(yōu)點(diǎn)和局限性見表1。

在特種設(shè)備檢驗(yàn)中，使用便攜式磁探機(jī)可以快捷地對(duì)鐵磁性材料的表面和近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。其中交流磁探因交流電的集膚效應(yīng)，對(duì)表面缺陷檢出率較高，是目前特種設(shè)備檢驗(yàn)中應(yīng)用最廣的檢測(cè)方法之一。而直流磁探由于其磁場(chǎng)脈動(dòng)性小，對(duì)表面缺陷檢測(cè)靈敏度低，在特種設(shè)備檢驗(yàn)中應(yīng)用較少。但直流磁探具有很大的滲透性，檢測(cè)深度較深，適用于近表面缺陷的檢測(cè)，這是交流磁探無(wú)法企及的，以下對(duì)直流磁探在特種設(shè)備檢驗(yàn)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

表1 交流電磁軛和直流電磁軛的優(yōu)點(diǎn)和局限性

2 直流磁探在特種設(shè)備檢驗(yàn)的應(yīng)用研究目的和意義

通過(guò)交、直流電磁軛優(yōu)劣點(diǎn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，直流磁探最大的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)深度較交流磁探深，可以發(fā)現(xiàn)交流磁探無(wú)法檢測(cè)到的近表面內(nèi)部缺陷，同時(shí)其局限性也較為顯著，恒定磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)對(duì)象要求較高，對(duì)表面缺陷檢測(cè)靈敏度低。因此，如何針對(duì)直流磁探的優(yōu)劣點(diǎn)，展開直流磁探在特種設(shè)備檢驗(yàn)的應(yīng)用研究，嘗試摸索由直流磁探代替射線等方法對(duì)鐵磁性薄壁特種設(shè)備進(jìn)行快捷的內(nèi)部缺陷檢測(cè)，是課題的主要研究目的和意義。

3 直流磁探在特種設(shè)備檢驗(yàn)的應(yīng)用研究?jī)?nèi)容

3.1 研究工具

針對(duì)目前適應(yīng)性最廣的便攜式直流磁軛機(jī)，采用濕式連續(xù)法檢測(cè)，配充電電池，提升力滿足NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)——磁粉檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求的至少應(yīng)有177 N。

3.2 研究對(duì)象

厚度≤10 mm 的鐵磁性薄壁特種設(shè)備。

3.3 研究方法

設(shè)計(jì)一組厚度（0.5～10）mm 的鋼板試塊，每隔0.5 mm 布置一塊試塊，通過(guò)試塊研究直流磁探在鋼板檢測(cè)的表面靈敏度以及可檢測(cè)深度。

3.4 研究前提

便攜式直流磁探機(jī)僅考慮提升力滿足NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)——磁粉檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求的至少應(yīng)有177 N，不考慮電流對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。磁軛間距也控制在NB/T 47013.4—2015 標(biāo)準(zhǔn)要求的（75～200）mm，必要時(shí)根據(jù)磁軛所能達(dá)到的最小間距進(jìn)行試驗(yàn)。檢測(cè)靈敏度應(yīng)滿足A1：30/100 型標(biāo)準(zhǔn)試片驗(yàn)證要求。

4 直流磁探在特種設(shè)備檢驗(yàn)的應(yīng)用研究的試驗(yàn)結(jié)果

4.1 磁軛間距對(duì)直流磁探的影響

根據(jù)電流特性知道，直流電流是恒定電流，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是恒定磁場(chǎng)，磁場(chǎng)在磁軛之間均衡分布。當(dāng)施加滿足提升力要求的直流磁軛的磁場(chǎng)時(shí)，要想提高磁化強(qiáng)度，只有想辦法把磁場(chǎng)壓縮在受限空間內(nèi)。顯而易見，在長(zhǎng)度方向上可以縮短磁軛之間的距離，在寬度方向上可以降低試件的厚度，以此壓縮直流磁軛的磁場(chǎng)以提高檢測(cè)靈敏度。

為滿足NB/T 47013.4—2015 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)磁軛間距的要求（75～200）mm，直流磁軛間距最小只有縮短到75 mm，以免影響磁痕顯示。因此將在75 mm 磁軛間距下進(jìn)行進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。

4.2 直流磁探在不同鋼板厚度的表面靈敏度試驗(yàn)

鋼板厚度直接影響直流磁軛磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度，因此在每塊試塊的表面中間布置A1：30/100 型標(biāo)準(zhǔn)試片，通過(guò)試片磁痕顯示可以發(fā)現(xiàn)：鋼板越薄，試片磁痕顯示越明顯。當(dāng)鋼板厚度超過(guò)6 mm 時(shí)，試片磁痕顯示已基本模糊不可辯，因此便攜式直流磁探機(jī)在滿足提升力的情況下，能滿足A1：30/100 型標(biāo)準(zhǔn)試片檢測(cè)靈敏度的有效檢測(cè)厚度最大為6 mm。

4.3 直流磁探在同一厚度鋼板不同深度缺陷的檢測(cè)能力

通過(guò)上述試驗(yàn)得出直流磁探在滿足A1：30/100 型標(biāo)準(zhǔn)試片檢測(cè)靈敏度的有效檢測(cè)厚度最大為 6 mm 的結(jié)論，那么在≤6 mm 的同一厚度鋼板，下面分析直流磁探對(duì)不同深度缺陷的檢測(cè)能力的影響。把1 mm 到6 mm 之間的試塊每隔0.5 mm 布置0.5 mm 直徑的長(zhǎng)條針孔缺陷，對(duì)每個(gè)試塊進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，即使在最厚的6 mm 試塊上最深的缺陷也可以顯示出明顯的磁痕。說(shuō)明在滿足A1：30/100 型標(biāo)準(zhǔn)試片檢測(cè)靈敏度的前提下，鋼板在6 mm 厚度范圍內(nèi)的缺陷都可以檢測(cè)出來(lái)。同時(shí)也驗(yàn)證了直流磁探所施加的恒定磁場(chǎng)，在一定厚度范圍內(nèi)具備足夠強(qiáng)度檢測(cè)厚度范圍內(nèi)各個(gè)深度缺陷能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于穩(wěn)恒直流電磁軛，產(chǎn)生的磁場(chǎng)均衡布置于兩個(gè)磁軛之間工件內(nèi)部，不同于交流電磁場(chǎng)的集膚效應(yīng)，直流磁探更有利于較深層缺陷的檢測(cè)。在施加同樣的磁通量時(shí)，工件厚度越大，磁通密度就越低。通過(guò)直流磁探在薄壁鐵磁性試塊的研究試驗(yàn)，可以得出：對(duì)于便攜式直流磁探機(jī)，在滿足提升力要求的前提下，最小磁軛間距75 mm，最大有效鋼板厚度為6 mm；而在此基礎(chǔ)上，便攜式直流磁探機(jī)可以對(duì)該厚度范圍內(nèi)各個(gè)深度的缺陷具備有效的檢測(cè)能力。但是，試驗(yàn)是在試塊上面完成的，試塊的理想工況是一般薄壁鐵磁性特種設(shè)備不具備的，因此，當(dāng)利用直流磁探進(jìn)行薄壁鐵磁性特種設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí)，對(duì)表面粗糙度要有充分的準(zhǔn)備。