基于磁記憶技術(shù)的高溫蒸汽管道無損檢測

閆立鑫，符強，花廣如，王進峰，董天文

（華北電力大學(xué)機械工程系，河北 保定 071003）

電廠蒸汽管道長期在高溫高壓下工作，容易因缺陷誘發(fā)泄漏、爆炸等事故給電廠帶來損失。因此，為了保證蒸汽管道的正常運行，對管道進行質(zhì)量檢查必不可少。常規(guī)的缺陷檢測方法有超聲檢測、射線檢測和渦流檢測等，應(yīng)用廣泛。超聲檢測是以超聲波的反射原理來判斷缺陷的位置，陳昂等［1］基于超聲波原理設(shè)計了一種缺陷檢測裝置，并對管道內(nèi)部缺陷進行檢測，檢測誤差僅在20%左右。射線檢測的原理是根據(jù)射線穿透工件時的衰減程度來判斷缺陷位置的，權(quán)濤等［2］將X射線成像技術(shù)應(yīng)用于管道焊縫缺陷檢測上，X射線可以透過待檢管道，利用信息技術(shù)呈現(xiàn)出管道的內(nèi)部情況，從而識別缺陷位置。渦流檢測的原理是電磁感應(yīng)，根據(jù)線圈電流的變化判斷缺陷的位置，郭銳等［3］介紹了一種渦流缺陷定位和定量分析技術(shù)，可以根據(jù)探頭的檢出信號判斷出缺陷的位置和大致長度。以上這些方法可以檢測出缺陷，但也存在弊端，比如，超聲檢測需要在被檢物體上涂抹耦合劑，可能會損傷工件表面；射線檢測成本較高，而且X射線也會對人體造成傷害；同時，常規(guī)檢測方法只能檢測出已有缺陷，不能對早期缺陷進行預(yù)判［4］。金屬構(gòu)件的缺陷是由于某一區(qū)域不斷受到應(yīng)力集中作用形成的，磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)，可以根據(jù)金屬構(gòu)件的漏磁場強度和應(yīng)力集中的分布特征對構(gòu)件進行檢測，克服了常規(guī)檢測技術(shù)的弊端，既可以檢測出構(gòu)件的已有缺陷，又可以對早期損傷進行預(yù)報［5］。

1997年，Doubov［6］第一次提出了磁記憶檢測技術(shù)，早期由于缺乏理論與實踐研究，只能與常規(guī)檢測方法配合使用。Doubov認為在金屬構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，漏磁場強度的切向分量具有峰值，法向分量符號改變且過零點，但并未揭示地磁場對磁記憶現(xiàn)象的影響。郭歡等［7］從力磁效應(yīng)的機理出發(fā)，研究了鐵磁構(gòu)件磁疇組織與應(yīng)力的關(guān)系，根據(jù)磁機械和磁彈性效應(yīng)解釋了磁記憶原理?；诖庞洃浽恚恍W(xué)者將磁記憶檢測技術(shù)用于管道缺陷研究上，羅順友等［8］采用磁記憶技術(shù)對管道缺陷進行了檢測，分析了提離值、檢測速度和檢測姿態(tài)對檢測信號的影響。楊勇等［9］對埋地管道金屬的應(yīng)力集中區(qū)進行磁記憶檢測，通過分析管道表面的磁場法向分量和梯度值確定了應(yīng)力集中的位置，實現(xiàn)了對管道的早期診斷。為了提高檢測的準確率，磁場記憶方法也可與其他檢測方法結(jié)合使用，宋志強等［10］提出了一種基于漏磁/磁記憶方法的組合式管道缺陷檢測系統(tǒng)，與單一檢測方法比，該系統(tǒng)結(jié)合了漏磁檢測和磁記憶檢測方法的優(yōu)點，實現(xiàn)了管道缺陷的高精度檢測。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，磁記憶技術(shù)也可與計算機技術(shù)結(jié)合，劉書俊等［11］以磁記憶檢測方法為原理，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對管道缺陷進行識別，識別率可以達到97.5%。唐玉蓮等［12］結(jié)合J-A力磁耦合模型分析了壓力對管道缺陷中磁記憶信號的影響，并利用ANSYS有限元軟件進行了力磁仿真，結(jié)果表明，磁記憶信號在缺陷處有2個特征：徑向磁場會產(chǎn)生突變，軸向磁場會出現(xiàn)最大值；磁記憶信號隨著壓力的增大而減小，之后保持不變。

金屬構(gòu)件磁記憶信號的分布特征可以反映其缺陷位置，傳統(tǒng)方法僅從磁場強度的分布特征去判斷構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)域，但容易造成誤判［13］。因此，為了準確判斷電廠蒸汽管道缺陷的位置和損傷程度，在對管道磁場強度的分析基礎(chǔ)上，研究磁場梯度的分布特征，可以實現(xiàn)對管道缺陷的早期檢測。

1 磁記憶檢測原理

在地磁場中，鐵磁構(gòu)件受工作載荷的影響，會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，磁疇組織在應(yīng)力作用下會重新取向，形成磁極，導(dǎo)致構(gòu)件在應(yīng)力集中區(qū)形成局部漏磁場。漏磁場的磁場強度H可分為徑向磁場H（x）和法向磁場H（y），如圖1所示。在應(yīng)力集中區(qū)，漏磁場的切向分量曲線具有峰值，法向分量曲線方向改變且過零點［14］。因此，根據(jù)金屬構(gòu)件表面漏磁場強度的分布特征可以反映應(yīng)力集中的位置。

圖1 漏磁場的法向分量和切向分量Fig.1 Normal and tangential components of the leakage magnetic field

根據(jù)金屬構(gòu)件磁記憶信號的強度分布特征，可以判斷構(gòu)件應(yīng)力集中的位置，但容易出現(xiàn)漏判。磁場梯度可以反映磁場強度的變化程度，因此，通過檢測構(gòu)件的磁場梯度來判斷缺陷位置，比磁場強度更準確。

2 45號鋼檢測實驗

選用45號鋼作為實驗試件，試件表面有一處焊縫，并設(shè)置3條檢測路徑，如圖2所示。使用TSC-1M-4磁記憶檢測儀對試件的磁記憶信號進行檢測。運用兩通道探頭，用探頭小車在試件的3條不同路徑上各檢測一次。

圖2 45號鋼焊接件Fig.245 steel weldment

第1路徑上的磁場強度沿掃描方向上的梯度圖像如圖3所示。由圖可以看出，第1通道上磁記憶信號在20～60 mm處存在大面積波峰，第2通道磁記憶信號在50～60 mm處存在波峰。綜合考慮2個通道的磁記憶信號可知，在50～60 mm處，被測試件處存在應(yīng)力集中。第2路徑上的磁場梯度曲線如圖4所示，第1通道上的磁記憶信號在20～40 mm處存在明顯的波峰，第2通道的磁記憶信號在35～40 mm處存在一個小的波峰，由此判斷在45號鋼試件內(nèi)部的35～40 mm處存在一個應(yīng)力集中區(qū)。在280～300 mm處第2通道的磁記憶信號存在一個明顯的波峰，但是第1通道的磁記憶信號相對平穩(wěn)，由此判斷此處無應(yīng)力集中現(xiàn)象。第3路徑上的磁場梯度曲線如圖5所示，可以看出，2個通道上的磁記憶信號值大致重合，在30～50 mm、60～120 mm和170～190 mm處存在著波峰，判斷此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在實際檢測中由于邊緣效應(yīng)的存在，在曲線的開頭和結(jié)尾處也會呈現(xiàn)一定程度的跳躍性分布。

圖3 第1路徑的磁場梯度曲線Fig.3 Magnetic field gradient curve of the first path

圖4 第2路徑的磁場梯度曲線Fig.4 Magnetic field gradient curve of the second path

圖5 第3路徑的磁場梯度曲線Fig.5 Magnetic field gradient curve of the third path

橫向?qū)Ρ?個路徑上的磁記憶信號梯度曲線的波峰位置可以發(fā)現(xiàn)，波峰大多集中在45號鋼的焊縫附近，因為焊縫周圍具有較大的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。結(jié)果表明：磁記憶信號的梯度曲線可以反映應(yīng)力集中的位置，此方法用于電廠蒸汽管道的探傷是可行的。

3 高溫蒸汽管道探傷實驗

主蒸汽管道長時間在高溫高壓下工作，會在對接焊縫周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，長時間的積留會造成氣孔、裂紋等缺陷，蒸汽泄漏。因此，優(yōu)先檢測蒸汽管道焊縫周圍的應(yīng)力集中區(qū)，只要存在缺陷，就可及時對管道進行維護，若無缺陷，再對其他位置進行檢測，可以大幅度提升檢測效率。主蒸汽管道形狀為圓形，沿著焊縫周圍劃分4條掃描路徑，如圖6所示。

圖6 管道檢測Fig.6 Schematic diagram of pipeline inspection

選擇4通道探頭，用TSC-1M-4磁記憶檢測儀檢測主蒸汽管道焊縫區(qū)域，根據(jù)梯度曲線的波峰分布可以判斷應(yīng)力集中的位置。經(jīng)過檢測，該高溫蒸汽管道4條檢測路徑疑似的應(yīng)力集中區(qū)域如圖7所示。

圖7 應(yīng)力集中區(qū)Fig.7 Schematic diagram of stress concentration area

隨著高溫蒸汽管道運行時間的增長，應(yīng)力集中區(qū)可能逐漸演變?yōu)閮?nèi)部缺陷，因此，為了辨別應(yīng)力集中區(qū)是否已經(jīng)存在缺陷，檢查各檢測路徑4個通道的梯度值及最大超調(diào)量，其中最大超調(diào)量表示磁場梯度最大值與中間值的比值，可以反映梯度的最大變化程度。第1、2、3路徑的MM-system數(shù)據(jù)分析見表1～表3。

表3 第4路徑的MM-system的數(shù)據(jù)分析表Tab.3 MM-system data analysis table for the forth path

從表1可以看出，第2通道的Kmed和Kmax具有最大值，而其余3個通道的K值都很小。4個通道的最大超調(diào)量m最大值為5.321，最小值為4.405，兩者之間相差很小，可以判斷此處應(yīng)力集中尚未構(gòu)成缺陷。

表1 第1路徑的MM-system數(shù)據(jù)分析表Tab.1 MM-system data analysis table for the first path

從表2中可以看出，第3通道的具有最大梯度值，值為Kmax=169.000 A·m-1·mm-1，除第4通道外，各通道的Kmax值較大，雖然第4通道的Kmax值相對較小，但是其m值最大，達到了37.802，與其余3個通道的m值相差很大，由此判斷該應(yīng)力集中區(qū)已經(jīng)存在缺陷。

表2 第2路徑的MM-system的數(shù)據(jù)分析表Tab.2 MM-system data analysis table for the second path

第4路徑的MM-system數(shù)據(jù)分析見表3。從表3可看出，第1通道的Kmax最大，值為109.000（A·m-1·mm-1），除第4通道外，各通道的Kmax均值為93（A·m-1·mm-1），而第4通道的Kmax只有40（A·m-1·mm-1），與其余3個通道的Kmax相差較大，但是第4通道的m值最大，說明梯度變化程度較大，為此該應(yīng)力集中區(qū)已經(jīng)造成了缺陷。

4 結(jié)語

為了應(yīng)用磁記憶儀器檢測電廠高溫蒸汽管道中的應(yīng)力集中及缺陷，首先在45#鋼焊接件進行驗證性，結(jié)果表明磁記憶無損檢測技術(shù)在應(yīng)力集中檢測方面的有效性；然后，將該技術(shù)應(yīng)用于電廠主蒸汽管道的缺陷檢測上。結(jié)果表明在蒸汽管道的應(yīng)力集中區(qū)，磁場梯度值發(fā)生突變，曲線呈密集波峰狀分布，根據(jù)磁場梯度的分布特征可以判斷管道應(yīng)力集中的位置和程度，分析曲線的梯度值和最大超調(diào)量，可以判斷應(yīng)力集中區(qū)是否構(gòu)成缺陷。