基于磁探針技術(shù)的結(jié)構(gòu)鋼背部缺陷檢測

錢正春，曾恒煒，劉驊毅，葛英飛，王 杰

(南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167)

壓力容器是一種能夠承受壓力的密閉容器，在化工、冶金等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[1]。壓力容器內(nèi)壁長時間受到高溫、高壓、腐蝕性油氣介質(zhì)的作用，不可避免地會出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂紋、氣孔、腐蝕等缺陷[2]，造成財產(chǎn)損失，甚至危害生產(chǎn)安全。因此，需要采用合適的無損檢測方法，快速、準(zhǔn)確地對容器內(nèi)壁缺陷進(jìn)行識別與評估。目前，常見的無損檢測技術(shù)如滲透、漏磁、渦流等只能對材料表面或近表面的缺陷進(jìn)行檢測，不易對其內(nèi)部進(jìn)行評估[3]；射線檢測雖然可以用于識別材料內(nèi)部缺陷，但是操作過程復(fù)雜，設(shè)備成本較高，且對人體有輻射危害[4]；超聲檢測對被測材料的表面粗糙度有一定要求，需要借助耦合劑，并且聲波的傳播會受到材料各向異性的影響，降低了檢測結(jié)果的可靠性[5]。此外，目前常見的無損檢測方法檢測壓力容器需要事先停機(jī)，抽干內(nèi)部的氣體、液體，檢測過程煩瑣且準(zhǔn)備時間過長，故急需一種能夠從外部對壓力容器內(nèi)壁進(jìn)行無損檢測的便捷方法。

磁探針法是一種效率高、操作簡便、成本低廉的無損檢測技術(shù)。以電氣工程中常用的硅鋼片為例，LOISOS等[6]論證了被測材料厚度和探針間距對電壓信號的影響，并成功計算了取向和非取向硅鋼板的磁性能誤差。SENDA等[7-8]證明了相鄰晶粒之間角度和晶界方向的變化是影響磁通密度分布的根本原因；CREVECOEUR等[9]對電硅鋼邊緣附近的局部磁滯特性進(jìn)行了研究，建立了相關(guān)正模型與反演模型。CHAZOTTES-LECONTE等[10]利用磁探針與霍爾傳感器的耦合效應(yīng)開發(fā)出了新型探頭，對噴丸加工過程中的鐵磁性材料局部殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測與評估。

以上研究表明，磁探針技術(shù)具有評估鐵磁性材料磁特性的能力，尤其能夠?qū)Σ牧现械木植看盘匦赃M(jìn)行精準(zhǔn)評價。目前大多數(shù)專家學(xué)者主要利用磁探針法對硅鋼的磁性能開展系列研究，對鐵磁性材料缺陷檢測的研究較少。因此筆者采用磁探針法從結(jié)構(gòu)鋼的正面對背部缺陷進(jìn)行檢測，分析不同區(qū)域的磁滯特性，從中提取合適的特征值用來量化表征缺陷開口的位置和尺寸大小，以為使用磁探針法評估壓力容器內(nèi)部缺陷提供指導(dǎo)。

1 磁探針法檢測原理

磁探針法的裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便快捷，可對鐵磁性材料的局部磁特性進(jìn)行準(zhǔn)確評價。磁探針法檢測原理如圖1所示，在檢測過程中兩根探針與鐵磁性材料表面形成點接觸；在外加交變激勵磁場作用下，材料內(nèi)部會形成渦流，從而在探針之間產(chǎn)生電勢差。在理想情況下，假設(shè)經(jīng)過1、2、3、4區(qū)域的磁通量均勻分布，并且試樣的厚度遠(yuǎn)小于探針之間的距離，此時磁探針測量得到的電勢差V12正好是變化的磁通量經(jīng)過1、2、3、4區(qū)域所引起的電勢差的一半，即

(1)

式中：S1234為點1、2、3、4圍成的面積；B1234為相應(yīng)區(qū)域中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；t為時間。

因此，通過測量磁探針兩端的電壓信號就可以評估材料局部區(qū)域的磁通密度以及磁特性[11-13]。

圖1 磁探針法檢測原理示意

2 檢測試驗

2.1 試驗裝置

磁探針法整體試驗裝置如圖2所示，試驗裝置結(jié)構(gòu)框圖及部分設(shè)備實物如圖3所示，該裝置主要包括磁場激勵、信號采集、運動控制等三個模塊。其中磁場激勵模塊主要由U型磁軛組成，磁軛兩端腳柱之間的距離為60 mm，中間空隙高為50 mm；在磁軛上均勻緊密纏繞了600匝直徑為0.21 mm的勵磁線圈，線圈連接到型號為OPA549的功率放大器上，信號發(fā)生器用來控制激勵磁場的波形(試驗中為正弦信號)，其頻率為3 Hz。信號采集模塊由一組磷青銅雙探針、探針夾具以及數(shù)據(jù)采集卡組成，其中探針夾具上有多個定位孔，可靈活調(diào)節(jié)探針針尖之間的距離，以適應(yīng)不同檢測環(huán)境；試驗中將探針針尖之間的跨度設(shè)置為12 mm，并且保證探針排列方向與磁場磁化方向垂直。數(shù)據(jù)采集卡型號為USB-6356型高速采集卡，采樣頻率設(shè)置為10 kHz，采集到的電壓信號將傳輸至上位機(jī)并被保存。運動控制模塊可帶動探針實現(xiàn)x、y、z三個方向上的自由運動，見通過程序控制探針運動軌跡并完成信號采集。

圖2 磁探針法整體試驗裝置

圖3 試驗裝置結(jié)構(gòu)框圖及部分設(shè)備實物

2.2 試驗步驟

試樣材料為工程中常用的結(jié)構(gòu)鋼45鋼，試樣尺寸設(shè)置為100 mm×50 mm×10 mm(長×寬×高)，其化學(xué)成分為C，0.42%～0.50%；Si，0.17%～0.37%；Mn，0.50%～0.80%；Cr，≤0.25%；Ni，≤0.30%；Cu，≤0.25%。在試樣表面銑削出深度相同但是邊長不同的正方形凹槽，分別標(biāo)記為#1～#5(#1～#5凹槽邊長分別為10，15，20，25，30 mm)，用以模擬壓力容器背部不同大小的缺陷，試樣缺陷尺寸如表2所示，凹槽開設(shè)的位置及尺寸如圖4(a)所示。在試樣無缺陷的表面上設(shè)置3條檢測線，磁探針檢測軌跡如圖4(b)所示。

圖4 試件結(jié)構(gòu)及檢測軌跡

采用磁探針法進(jìn)行檢測時，將試樣預(yù)先開設(shè)有凹槽的缺陷面朝下水平放置于檢測平臺上，U型磁軛兩端腳柱放置在試樣無缺陷面上，夾具可帶動磁探針在試樣無缺陷面進(jìn)行檢測。在檢測過程中，始終保持探針連線方向與檢測線方向垂直，并且使探針連線的中心分別沿著3條檢測線運動。每朝著y軸正方向移動2 mm，采集一次探針電壓信號。重復(fù)上述步驟，對每塊試樣采用相同的方法進(jìn)行檢測。

3 試驗結(jié)果

3.1 結(jié)果預(yù)處理

圖5 磁探針理論信號與實際測量信號對比結(jié)果

(2)

(3)

式中：i為某條檢測線上的采集點位置；n為檢測線的序號；Brave(i)為剩磁平均值；Hcave(i)為矯頑力平均值，這些特征參數(shù)可以用來量化表征背部缺陷位置和尺寸。

圖6 試樣上某檢測點處的信號隨時間分布規(guī)律

圖7 試樣上某檢測點處的磁滯曲線

3.2 特征值提取

不同試樣測量提取的剩磁平均值Brave(i)分布規(guī)律如圖8所示，豎直方向上兩條紅色虛線之間的跨距長度代表各試樣背部開設(shè)的缺陷尺寸?？梢园l(fā)現(xiàn)背部無缺陷處的剩磁平均值Brave(i)幅值基本在一個較為平穩(wěn)的范圍內(nèi)波動，一旦經(jīng)過缺陷位置，信號幅值立即迅速降低形成陡峭的波谷，并且波谷的寬度隨著缺陷尺寸的增大而增大。說明從正面無缺陷一側(cè)測得的磁探針信號特征參數(shù)剩磁平均值Brave(i)與背部預(yù)設(shè)的缺陷尺寸具有良好的一致性。

圖8 不同試樣剩磁平均值Brave(i)分布規(guī)律

同樣地，不同試樣測量提取的矯頑力平均值Hcave(i)分布規(guī)律如圖9所示，豎直方向上兩條紅色虛線之間的跨距長度依舊代表各試樣背部開設(shè)的缺陷尺寸。在缺陷位置處的矯頑力平均值Hcave(i)信號幅值突然降低形成波谷特征，并且波谷寬度同樣隨著缺陷尺寸的增大而增大。由磁疇運動理論可知，鐵磁性材料在磁化過程中，磁疇壁會發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動[14]，從而導(dǎo)致磁信號的產(chǎn)生。由圖8和圖9可以看出，缺陷處的剩磁和矯頑力會急劇減小，這是因為缺陷處的鐵磁性材料體積較小，故磁疇的總體數(shù)量相應(yīng)減少，使得最終整體的磁場強(qiáng)度亦降低，磁化過程中的能量損耗也隨之降低[15]。而磁滯回線的能量損耗與剩磁和矯頑力的大小密切相關(guān)[16]，在外加磁場不變的情況下，磁滯回線所包圍的面積越小，與坐標(biāo)軸形成的截距也越小，相應(yīng)的能量損耗就會降低，剩磁和矯頑力也必然降低。

圖9 不同試樣矯頑力平均值Hcave(i)分布規(guī)律

3.3 面積比

為進(jìn)一步確定磁探針測量的剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)與缺陷尺寸大小的定量關(guān)系，提出面積比這一新的特征參數(shù)，并繪制出某個試樣剩磁平均值Brave(i)的分布曲線(見圖10)，過曲線的最大值做水平直線與曲線所圍成的面積記為S1，過曲線的最小值做水平直線與曲線所圍成的面積記為S2，曲線最大值、最小值與相應(yīng)的位置坐標(biāo)最大值、最小值圍成的矩形面積記為S，S=S1+S2，則最終的面積比為Sr，Sr=S1/S；其中剩磁平均值Brave(i)曲線所圍成的面積比記為Srb，矯頑力平均值Hcave(i)曲線所圍成的面積比記為Srh。

圖10 某試樣剩磁平均值Brave(i)的分布曲線

分別計算出不同試樣的剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)曲線面積比Srb和Srh，并將橫坐標(biāo)按照1#～5#號試樣的順序繪制折線圖(見圖11)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著試樣背部缺陷尺寸的增大，剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)的面積比值Srb和Srh也呈現(xiàn)出增大的趨勢。分別將兩個面積比Srb和Srh參數(shù)與試樣背部缺陷尺寸進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)良好的線性增加關(guān)系，即

Srb=0.004 254a+0.388 4

(4)

圖11 不同尺寸背部缺陷的特征參數(shù)面積比分布規(guī)律

Srh=0.017 19a+0.193 8

(5)

式中：a為缺陷的尺寸。

剩磁、矯頑力面積比分布曲線的擬合優(yōu)度R2值分別為0.835 3和0.986 1。式(4)與式(5)中的曲線擬合系數(shù)會隨著材料種類、激勵磁場參數(shù)、背部缺陷形狀的改變而發(fā)生變化，需具體問題具體分析。另外，由于剩磁面積比Srb分布曲線的擬合優(yōu)度R2值比矯頑力面積比Srh分布曲線的擬合優(yōu)度值小，因此采用矯頑力面積比Srh這一特征值表征背部缺陷時的精度更高，在工程應(yīng)用中更為準(zhǔn)確。擬合公式可以為壓力容器背部缺陷的定量化評價提供指導(dǎo)。

為證明擬合曲線的通用性，采用了兩塊背部缺陷為長方形的試樣進(jìn)行驗證試驗，記為試樣#6、試樣#7，缺陷尺寸分別為30 mm×20 mm和30 mm×25 mm(長×寬)。采用探針沿缺陷寬度方向進(jìn)行相同步驟的檢測，發(fā)現(xiàn)長方形缺陷試樣的剩磁及矯頑力分布規(guī)律依舊與缺陷尺寸密切相關(guān)。提取兩塊試樣的剩磁面積比Srb、矯頑力面積比Srh，其數(shù)值大小皆在擬合曲線的95%置信區(qū)間內(nèi)(見圖11)。根據(jù)式(1)可知，探針在掃描缺陷時，采集到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號與探針之間的缺陷截面尺寸密切相關(guān)。如果缺陷的截面尺寸沿檢測線方向發(fā)生變化(如橢圓、三角形等)，則產(chǎn)生的剩磁Brave、矯頑力Hcave分布曲線的波谷深度也會隨之變化，導(dǎo)致后續(xù)提取面積比Srb、Srh特征值時也會相應(yīng)發(fā)生變化。因此筆者所提出的特征值擬合曲線主要適用于沿檢測線方向截面尺寸不變的缺陷類型(如正方形、長方形等)，未來還需要進(jìn)一步對沿檢測線方向截面尺寸發(fā)生變化的缺陷類型(如橢圓、三角形等)開展磁探針檢測與評估。

4 結(jié)論

使用磁探針技術(shù)對結(jié)構(gòu)鋼背部缺陷進(jìn)行檢測，提取了剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)這兩個特征值用以評估背部缺陷的位置和尺寸。結(jié)果表明，特征參數(shù)在缺陷處的幅值明顯降低形成波谷，并且波谷的寬度隨著缺陷尺寸的增大而增大。

為了更加準(zhǔn)確地量化評估缺陷，最終提出了剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)曲線所圍成的面積比Srb和Srh這兩個特征值，并與背部缺陷的尺寸建立量化關(guān)系，擬合結(jié)果表明面積比與背部缺陷尺寸的大小成正比。結(jié)果可為壓力容器內(nèi)壁的缺陷檢測提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。