特種設備金屬磁記憶檢測方法探究

梁志剛

（廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院，廣東 中山 528403）

特種設備金屬磁記憶檢測方法探究

梁志剛

（廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院，廣東 中山 528403）

承壓類設備構件中應力集中的分析，一直都是無損檢測的難點。金屬磁記憶檢測技術以其可靠性和穩定性，居于無損檢測技術的重要地位。在特種設備微觀、宏觀缺陷的檢測中，是一種重要的檢測手段。本文闡述金屬磁記憶的基本原理，并在工程實踐中加以實踐。

應力集中；無損檢測；金屬磁記憶；特種設備

隨著國民經濟的快速發展，工業生產中越來越多的應用特種設備。所謂的特種設備是指壓力容器、鍋爐、電梯、管道以及大型工程設備等各種危險性大涉及生命安全的承壓類設備。在這些大型結構中，不論是焊接、鑄造、鍛造還是機加工，總是會在結構內會形成缺陷，造成應力集中。大量數據表明，結構的損壞失效都是發生在機械應力集中的位置。內應力與其加工技術（焊接、機械加工、熱處理、鍛造等）息息相關。雖然已經意識到對特種設備進行全面安全檢查的需要，但實際上，需要大量時間和人力來完成任務。因此，傳統的無損檢測方法（超聲波、X射線、磁檢測等）由于其操作復雜，如測量表面和人工磁化的檢測需要對其表面清洗。由于傳感器的自身結構的不足，嚴重影響了大型設備和大跨度結構檢測。在本文中，應用了一種新型的金屬磁記憶無損檢測技術。該方法不需要處理被測物體的表面，廣泛地應用于各種特種設備的應力檢測且檢測速度非常快。

1 金屬磁記憶原理及特點

1.1 金屬磁記憶原理

金屬磁記憶檢測方法的應用是基于鐵磁部件在工作條件下的磁記憶效應。當在鐵磁場環境中外部負載發生變化時，產生磁疇取向具有磁致伸縮特性和在應力集中區的不可逆重新定向，使鐵磁部件磁導率逐漸降低達到最小，在金屬表面上形成渦流，產生漏磁場。漏磁場強度的切向分量的具有最大值和法線分量改變符號，并且具有零值。在移除工作負載之后，磁性狀態的不可逆變化的情況下保持原有狀態，并且記錄下應力集中的位置，這稱為磁記憶效應。

1.2 金屬磁記憶特點

在工業生產中，廣泛使用的常規NDT方法是：X射線測試、超聲波測試、磁檢測、渦流測試和γ穿透測試，其中每一種都有使用限制條件，并且只能檢測宏觀缺陷，以檢測材料隱性不連續區域（即應力集中）存在限制。金屬磁記憶檢測技術不僅可以發現宏觀缺陷，而且還可以用于指示應力集中的位置，有無宏觀缺陷，因此具有預警能力。

金屬磁記憶檢測技術主要的技術特點有以下幾個方面。

第一它是鐵磁部件檢測應力集中最安全可靠的檢測方法，非接觸式和無損傷性。

第二在特殊磁性裝置中不需要使用磁場，并且通過在工件的制造和使用期間形成的自泄漏磁場來實現鐵磁部件的快速檢測。這是第二次利用自身結構傳輸信息的方式。

第三不需要清潔拋光或以其他方式處理的待檢測工件的表面。降低勞動強度，提高檢測效率。

第四設備便攜，易于操作，靈敏度好，重復性和可靠性高。

2 金屬磁記憶檢測中應力集中區信號的識別

2.1 金屬磁記憶檢測準則

金屬磁記憶方法的基本原理是在地磁場的環境下記錄金屬設備的磁場。基于鐵磁性的基本理論，可以很好地解釋漏磁場的原因。由于金屬結構的不均勻性，

在地磁場中，在外部應力集中將產生集中的高應力能量，降低材料的疲勞極限。根據原子最低能態原理，材料分子結構的最穩定狀態是產生疇壁錯位，主要是增加磁彈性能量的形式，以抵消應力集中。在增加總自由能不變的形式下，可以使應力集中產生的應力能量趨勢最小，這是比鐵磁部件中磁場強度更高于地球磁場強度的泄漏磁場強。由于金屬的各種內耗效應的存在，消除金屬后動態應力集中區載荷得以保持。待測鐵磁部件上散射的漏磁場與機械應力分布的變化(MPa)之間的對應關系：

2.2 金屬磁記憶信號處理

在磁記憶測試中，通過傅立葉變換分析，信號能量主要分布在低頻范圍內，高次諧波表現為噪聲干擾。磁記憶信號頻譜相當寬屬于隨機信號，準確的來說頻率不確定，所以說傅立葉變換分析只能對磁記憶信號時域的性質進行研究，小波變換分析拓寬了這一思路，把磁記憶信號從時域轉到頻域。磁記憶信號激勵主要包含尖脈沖噪聲和白噪聲，應用小波變換的方式在不同的時間尺度下研究磁記憶信號的幅頻特性。

當激勵為尖脈沖信號)(tδ時，應用小波變換：

從金屬磁記憶的工程實驗和機理來看，應力集中區域或微損傷突變常常表示為局部奇異性和區域中的不規則磁性磁記憶信號（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中檢測到，也可能被丟失，因為一些故障特征信號被過濾掉，也可能是被漏檢。基于磁存儲器信號的奇點理論基礎，從檢測低頻和高頻信號來實現應力集中，這是從時域和頻域對磁記憶信號的奇異傳播特性來檢測，確定應力區域的位置和其特性。

3 金屬磁記憶檢測技術在工程實踐中的應用

熱處理的目的是消除焊接殘余應力并提高接頭的性能。金屬磁記憶檢測技術是確定設備的應力分布，然后在應力分布圖分析計算得出應力極大值點，確定該區域。所以，檢測過后的對接焊焊縫應力明顯降低，對熱處理前后的檢測結果進行比較，得到準確詳盡的數據資料，可以對整個工藝過程優化和評價。數據表明，亞穩態的奧氏體不銹鋼經過強烈的塑性變形之后，晶相發生變化，產生的馬氏體具有磁效應。這使得金屬磁記憶檢測方法得以在不銹鋼結構上應用。

3.1 金屬磁記憶檢測技術在碳鋼結構上的應用

焊接是制造工件的重要的工藝過程，但是在焊接過程中產生的高溫，造成了區域溫度分布不均進而造成材料的熱脹冷縮不均勻，焊接殘余應力無法全部被釋放出來。由于焊接殘余應力的影響，加速了材料的疲勞損傷，導致材料產生脆性斷裂，加速材料的磨損，誘導材料的腐蝕產生蠕變等許多不良現象。消除焊接的殘余應力成為提高焊接質量的關鍵因素，現在普遍的采用熱處理的方式消除焊接的殘余應力，在高溫的條件下實現焊接殘余應力的釋放，而且熱處理還能較好的提高焊接接頭的機械性能。大型設備的裝配大都是在現場進行裝配，因而限制了熱處理的應用。通過金屬磁記憶檢測技術對現場裝配過程的焊接殘余應力檢測，隨時調節過程中的工藝參數，因此能達到較高的施工質量，最終工程的質量與現場的諸多的不確定因素相關，影響對特種設備的安全風險的評估。

3.2 金屬磁記憶技術在不銹鋼結構上的應用

金屬磁記憶檢測技術是通過檢測鐵磁部件表面的漏磁場強度來確定工件的應力集中或潛在危險區域。生產特種設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，亞穩態的奧氏體不銹鋼經過劇烈塑性變形，晶像產生位錯,位錯堆將發展成馬氏體結構的微團簇。馬氏體具有強烈的磁效應,基于此在不銹鋼焊縫的檢測中應用金屬磁記憶檢測技術是可行的。

4 結語

金屬磁記憶檢測技術可以快速地對鐵磁部件的應力集中位置進行檢測，準確有效地檢測焊縫宏觀缺陷，異常信號檢測范圍基本上覆蓋了傳統的檢測方法。金屬磁記憶檢測技術自問世以來，以其可靠性和穩定性受到工程人士和專家學者的青睞，但是并非所有的現象都能找到有力的理論支持，需要專家學者進一步的研究發展金屬磁記憶理論。金屬磁記憶檢測技術需要進一步討論和研究。雖然本文提出了金屬磁記憶檢測技術的基本內容，但仍有許多問題需要進一步研究，需要在實踐中進行測試。

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