承壓設備焊縫的全自動多功能磁粉檢測

邢艷亮 朱琪嘉 張玉軍

1.河北省特種設備監督檢驗研究院 河北唐山 063000

2.河北省承壓設備檢測評價技術創新中心 河北唐山 063000

當前我國特種設備數量比較多，尤其大型設備（球罐等）表面缺陷的無損檢測很困難，很多都需要檢測人員爬上十幾米高的腳手架上工作，檢測人員比較危險、檢測效率低、勞動強度大，而且搭設腳手架增加了檢測成本。目前的磁粉檢測技術是通過人工操作和人工觀測來評判檢測結果，漏判、誤測的比例較高，且不能實時保存現場檢測過程。本文把自動化機器人、數字成像技術應用到磁粉檢測領域，既可對現場檢測過程實時成像，也可把檢測過程變為視頻保存下來，方便檢測過程的回放和檢測結果研判，達到有效檢測焊縫表面缺陷的目的。

1 檢測系統的功能

目前國內的自動化檢測機器人已有一些通用性的產品，例如用于衍射時差法超聲檢測TOFD、用于相控陣超聲波PAUT等自動化檢測的設備，但它們均不適用于磁粉檢測的工況應用；也有極少量的論文關于本項目的論述，例如《磁粉探傷爬壁檢測機器人的設計與研究》，但其是履帶式，具有難轉向、不易逾越焊縫、車體過重、靈活性較差等問題，實用性有待大大加強；目前市場上還沒有見到用于磁粉自動化檢測的設備。

1.1 系統技術指標

1.1.1 爬行運動及搭載

本系統掃查器車輪采用高強磁材料，即使出現意外斷電，也不會發生車體從被檢測表面掉落的危險。磁力機器人可以安全的進行水平、垂直和倒置等不同形態的掃描工作。其垂直載荷不小于10kg，即在拖拽10kg重物時絲毫不影響其在垂直方向的各種運動。

掃查器采用高性能電機，四輪驅動模式，單組電機功率達到50W，扭矩值達到97Nm，可進行前后行進和左右轉向運動，為達到精密運動和在檢測表面平穩運行，采用高精度減速器。選用硬鋁合金材料，整體防腐蝕能力強，掃查器裸重≤12kg。轉輪采用高強磁材料，直徑為70mm，輪寬為35mm，掃查器最大載荷10kg。

智能掃查器采用分體式結構，適用于不同曲面工件。智能掃查器由兩個獨立的單電機掃查器連接在一起，因此不僅可以對小型管道（直徑305mm以上）進行縱向焊縫的掃查，還可以針對管道的螺旋焊縫進行掃查。

智能掃查器可實現精確到毫米級的編程控制，進行自動智能化檢測。智能掃查器可搭載多種部件和檢測工裝，如防墜掛繩、視頻傳感器、校準系統、自動系統、各類超聲掃查架等。

為使有利于對被測物體表面焊縫檢測工作做到精準、一致性，通過集成控制手柄，可對智能掃查器進行精準設置，并可以對其行進的距離進行毫米級的路線行程設置。

在做沿焊縫直線檢測時，通過高精度的機械傳動，可以實現偏離誤差不大于2mm，且依靠校準系統隨時對行進路線進行校準和精密微調，從而確保檢測的精準度和一致性。

1.1.2 自動化泵送裝置

在搭載使用磁粉檢測的時候，采用高性能泵送裝置為探頭部分穩定、持續的輸送磁懸液。

泵送裝置可隨時控制調節磁懸液輸出流量。

1.1.3 運動監視視頻

視頻監測的目的是實時監控機器人運行狀態，輔助機器人進行缺陷掃查，使它不會偏離被測軌跡。

視頻設備參數：200W像素，720P分辨率。

視頻傳輸方式及顯示終端：WIFI傳輸，Android或IOS操作系統平臺上顯示。

電纜線是整套系統的主線纜。它提供所有的電源，通信網絡以及編碼器的信號傳輸，電纜長度從5米到30米可選。

多通道管路，可以應用自動泵，使用三通連接器，給多個噴頭進行磁懸液的輸送。

電纜管理系統，它是用來保護和組織探頭電纜、管道，具有耐磨損、耐腐蝕、耐低溫等特點，而且采用雙拉鏈的快速、方便的拆裝方式。

1.1.4 視頻檢測

采用高亮LED照明光源和彩色CMOS圖像傳感器，以及像素/成像分辨率dpi均為500萬/2592×1944的攝像頭（動靜態像素）。

1.2 磁化方法

系統采用“交叉磁軛磁化+非熒光磁懸液”的磁化方法。

1.2.1 交叉磁軛的磁場形成

單電磁軛有兩個磁極，進行磁化只能發現與兩極連線垂直的和成一定角度的缺陷，對平行于兩磁極連線方向缺陷則不能發現。使用交叉磁軛可在工件表面產生旋轉磁場，如圖1所示。國內外大量實踐證明，這種多向磁化技術可以檢測出非常小的缺陷，因為在磁化循環的每個周期都使磁場方向與缺陷延伸方向相垂直，所以一次磁化可檢測出工件表面任何方向的缺陷，檢測效率高。

圖1 交叉磁軛示意圖

交叉磁軛可以形成旋轉磁場。它的四個磁極分別由兩相具有一定相位差的正弦交變電流激磁。于是就能在四個磁極所在平面形成與激磁電流頻率相等的旋轉著的合成磁場。

能形成旋轉磁場的基本條件是：兩相磁軛的幾何夾角α與兩相激磁電流的相位差φ均不等于0°或180°。

1.2.2 旋轉磁場分布特點

交叉磁軛的磁場無論在四個磁極的內側還是外側，其分布都是極不均勻的。只有在幾何中心點附近很小的范圍內，其旋轉磁場的橢圓度變化不大，而離開中心點較遠的其它位置，其橢圓度變化很大，甚至不能形成旋轉磁場。另外四個磁極外側仍然有旋轉磁場存在，只是有效磁化范圍較小。

1.2.3 交叉磁軛的提升力

交叉磁軛的提升力代表交叉磁軛導入被檢測工件有效磁通的多少，亦即工件被磁化后其磁感應強度的大小，提升力必須大于某一值后，才能保證被檢工件的有效磁感應強度，亦即保證檢測靈敏度。

2 旋轉磁場交叉磁軛的磁化規范影響因素

2.1 提升力的影響

磁軛提升力是磁鐵只借助其磁性吸力，可提升其某一重量的鐵素體鋼塊的能力，其適用于直流、交流和整流電磁軛設備的磁化能力校驗。工程實際中采用單磁軛指標的1倍作為交叉磁軛提升力指標是合理的。NB/T47013.4-2015標準要求交叉磁軛至少應有118N的提升力（磁極與工件表面間隙為≤0.5mm）。

2.2 相位差的影響

交叉磁軛激磁電流的相位差偏離標準值會導致工件表面合成磁場的橢圓度變化。在相同激磁規范的條件下，合成磁場軌跡的橢圓度越大，則B0的有效值越小，磁化規范越小。采用試片法來確定交叉磁軛的磁化規范和有效磁化區域范圍十分方便、有效，是十分必要的。

2.3 磁極間距L 的影響

為保證足夠的磁化規范，相關標準要求“跨距寬度不大于100mm”；為保證足夠的有效磁化區域大小又需L足夠大。故工程中應用的交叉磁軛通常L取100mm-150mm范圍。

2.4 磁極間隙的影響

因兩對磁極的結構特點，交叉磁軛存在磁極間隙是不可避免的。故NB/T47013.4-2015規定：“交叉磁軛至少應有118N的提升力（磁極與試件表面間隙為0.5mm）”。分析可得，當單磁軛的提升力從44N增大到118/2N時，B0增大幅度僅約為16%，僅能補償約∮≈0.2mm帶來的B0減小幅度，顯然118N的提升力指標要求對保證足夠的磁化規范意義不大；另外為保證足夠的磁化規范，交叉磁軛進行提升力校驗時，磁極間隙應≤0.5mm。

3 磁粉檢測的缺陷顯示

檢驗過程中發現的超標缺陷主要有表面裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和母材裂紋等。缺陷情況見下圖2至圖7。

圖2 焊縫橫向裂紋

圖3 焊縫縱向及橫向裂紋

圖4 焊縫縱向裂紋

圖5 焊縫縱向裂紋

圖6 焊縫表面縱向裂紋

圖7 母材裂紋

4 結語

（1）采用全自動多功能磁粉檢測系統對大型球罐和儲罐類焊縫表面缺陷的檢測，發現了焊縫及母材表面的大量缺陷，通過對缺陷進行打磨或者補焊，消除了影響承壓設備安全穩定運行的重大隱患，充分展現了全自動多功能磁粉檢測系統在高空檢測作業中的優勢。

（2）全自動多功能磁粉檢測的實施可對企業降低檢測成本，對檢測提高了安全性，提升了檢測速度，實現了檢測結果的可記錄性。