磁記憶檢測(cè)在煤礦設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用分析

宮 成，謝 沛，曹海青，焦 陽(yáng)

（1.陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西榆林 719300；2.陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)公司，陜西榆林 719000）

0 引言

磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是利用金屬材料具有磁記憶特性對(duì)零部件可能存在應(yīng)力集中的部位加以快速檢測(cè)。作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，此技術(shù)融合了斷裂力學(xué)、金屬學(xué)等多個(gè)學(xué)科，可以檢測(cè)出金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的應(yīng)力集中問(wèn)題，可以準(zhǔn)確識(shí)別出存在的微觀缺陷、早期疲勞、失效、損傷問(wèn)題，對(duì)于設(shè)備存在的突發(fā)性疲勞損傷問(wèn)題可以提前采取預(yù)防措施。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也是當(dāng)前可以對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件加以早期診斷的唯一有效的無(wú)損檢測(cè)方法。

1 磁記憶檢測(cè)的實(shí)施原理

煤礦設(shè)備中使用了許多的結(jié)構(gòu)件，體現(xiàn)出強(qiáng)度高、塑性好、韌性好等多方面的優(yōu)勢(shì)。但是隨著使用時(shí)間的增加，其物理性能會(huì)變得劣化，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)有損傷出現(xiàn)，會(huì)有微觀缺陷出現(xiàn)。伴隨著時(shí)間的推移，這些微觀缺陷會(huì)擴(kuò)大、合并，如果缺少必要的維護(hù)措施，發(fā)展到一定程度會(huì)對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。其破壞作用會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件的可靠使用造成直接的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)重大事故。

鐵磁材料在發(fā)生損傷與累積的過(guò)程中，其力學(xué)性會(huì)發(fā)生很大的變化，體現(xiàn)在其光、電、熱、磁等多種物理參數(shù)同步會(huì)有變化。物理參數(shù)的變化幅度可以表明鐵磁材料存在的缺陷或損傷的情況。磁記憶作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，就是借助測(cè)量分析構(gòu)件磁信號(hào)發(fā)生的變化，對(duì)鐵磁材料存在的缺陷、應(yīng)力等參數(shù)加以測(cè)量，以明確位置與受損害程度。磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是利用鐵磁材料本身具有微弱磁場(chǎng)的特性，不用再外加磁化裝置。這是由于地磁場(chǎng)可以作為唯一的外磁場(chǎng)。與其他檢測(cè)手段相比，體現(xiàn)出靈活、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

鐵磁構(gòu)件加工與運(yùn)行中，其內(nèi)部會(huì)有應(yīng)力產(chǎn)生，由于存在應(yīng)力與地磁場(chǎng)的共同作用，材料原有的磁疇結(jié)構(gòu)與分布特征也會(huì)隨著應(yīng)力的變化而同步發(fā)生改變，在宏觀上體現(xiàn)為材料發(fā)生磁化。由于磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，磁疇壁位置也會(huì)有移動(dòng)，材料表面存在漏磁場(chǎng)。結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力集中與變形區(qū)域，磁疇組織存在定向與不可逆的重新取向，在沒(méi)有工作荷載后還會(huì)被保留，可以“記憶”結(jié)構(gòu)件表面存在的應(yīng)力與變形發(fā)生集中的區(qū)域，即表達(dá)為磁記憶效應(yīng)。磁記憶檢測(cè)儀作為無(wú)損檢測(cè)，可以測(cè)量缺陷與應(yīng)力集中區(qū)域存在的漏磁場(chǎng)Hp，如果法向分量Hp（y）數(shù)值超過(guò)了零點(diǎn)，梯度值會(huì)有較大值，水平分量Hp（y）能體現(xiàn)出最大值。測(cè)量鐵磁材料表面漏磁場(chǎng)Hp 的數(shù)值，結(jié)合其分布情況可以分析出缺陷與應(yīng)力集中存在的區(qū)域。磁記憶技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)件檢測(cè)中。

2 磁記憶檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施方法

磁記憶檢測(cè)的特點(diǎn)是無(wú)損，作為一種新的檢測(cè)方式，可以用于表達(dá)在工作載荷條件下設(shè)備與金屬結(jié)構(gòu)局部存在的缺陷，通過(guò)應(yīng)力集中區(qū)存在的漏磁場(chǎng)加以體現(xiàn)。損傷發(fā)生的過(guò)程可以理解為變形區(qū)域存在應(yīng)力集中，原有的金屬性質(zhì)發(fā)生了變化，因此這一現(xiàn)象可以反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下磁化強(qiáng)度發(fā)生的變化。磁記憶可以表達(dá)出最大工作載荷條件下局部區(qū)域的情況。傳統(tǒng)模式下的無(wú)損檢測(cè)只通過(guò)查找出已經(jīng)顯現(xiàn)出的缺陷，而磁記憶的優(yōu)勢(shì)是可以早期診斷設(shè)備，此時(shí)存在應(yīng)力集中部位的缺陷還沒(méi)有拓展。磁記憶可以檢測(cè)出零部件內(nèi)部存在的應(yīng)力集中問(wèn)題，能明確設(shè)備存在的最危險(xiǎn)部位，而其他無(wú)損檢測(cè)方法通常難以確定是否存在缺陷。

3 磁記憶檢測(cè)的特點(diǎn)與作用

3.1 特點(diǎn)

不同于漏磁檢測(cè)，磁記憶檢測(cè)具有多方面的優(yōu)勢(shì)：①能快速對(duì)大型設(shè)備加以檢測(cè)；②檢測(cè)時(shí)可以不借助于磁化設(shè)備就能對(duì)鐵制備件進(jìn)行必要的檢測(cè)；③測(cè)量中不需要清理被測(cè)工件的表面，不需要實(shí)施預(yù)處理；④適用于特種設(shè)備，如鍋爐、壓力容器、壓力管道等運(yùn)行狀態(tài)下的檢測(cè)。

磁記憶是當(dāng)前唯一可以保證高精度無(wú)損檢測(cè)的方法，可以廣泛應(yīng)用于確定設(shè)備是否存在缺陷部位。實(shí)踐表明，在損傷區(qū)域的檢測(cè)，會(huì)有穩(wěn)定磁場(chǎng)強(qiáng)度符號(hào)變化線，存在法向分量。針對(duì)設(shè)備的檢測(cè)，可以將診斷參數(shù)作為磁記憶技術(shù)的基礎(chǔ)。在當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域，廣泛采用了多種方法，如X 射線、超聲波、γ 射線、磁檢測(cè)、渦流、穿透測(cè)試。不同檢測(cè)方法都有其適用范圍與條件，只能檢測(cè)宏觀層面存在的缺陷，檢測(cè)材料內(nèi)部存在隱性缺陷（即應(yīng)力集中）存在一定的局限性。借助磁記憶檢測(cè)技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，能準(zhǔn)確確定出應(yīng)力集中區(qū)域是否具有宏觀缺陷，體現(xiàn)出提出發(fā)生預(yù)警信息的價(jià)值。磁記憶檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)部件應(yīng)力集中最為安全并且可靠的檢測(cè)方法，采用了非接觸式與無(wú)損傷式。檢測(cè)如果發(fā)生于特殊磁性裝置中，可以不需要磁場(chǎng)，在工件制造過(guò)程中與使用期間可以借助自泄漏磁場(chǎng)對(duì)鐵磁部件實(shí)施快速檢測(cè)，利用地磁場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行磁化。不需要對(duì)檢測(cè)工件的表面加以清潔拋光或通過(guò)其他方式加以處理，降低檢測(cè)實(shí)施中人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升檢測(cè)效率。

3.2 磁記憶檢測(cè)技術(shù)的價(jià)值

磁記憶的價(jià)值體現(xiàn)在：①可以評(píng)價(jià)在用設(shè)備的應(yīng)力分布區(qū)域，能確定應(yīng)力集中的影響范圍；②在裂紋沒(méi)有形成之前，可以確定出最大應(yīng)力的集中范圍；③可以與傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)組合使用，確定裂紋或缺陷的發(fā)生區(qū)域；④可以確定應(yīng)力集中或發(fā)生損壞的影響因素；⑤可以用于確定是否需要更換零件，可以評(píng)估設(shè)備預(yù)期使用壽命，準(zhǔn)確判定維修工作量。

4 磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)力集中采用的識(shí)別方法

4.1 磁記憶依據(jù)的檢測(cè)準(zhǔn)則

磁記憶技術(shù)檢測(cè)的基本原理是利用地磁場(chǎng)條件描述金屬設(shè)備存在的磁場(chǎng)。這一檢測(cè)方法基于鐵磁性理論，可以用于分析漏磁場(chǎng)的發(fā)生原因。金屬結(jié)構(gòu)存在不均勻性，在地磁場(chǎng)條件下，如果存在應(yīng)力集，會(huì)有高應(yīng)力能量存在，這導(dǎo)致了材料的疲勞極限會(huì)同步降低。材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)原有的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變，存在疇壁錯(cuò)位，磁彈性會(huì)增加。如果總自由能不改變，應(yīng)力集中發(fā)生的應(yīng)力能量會(huì)有最小化的趨勢(shì)，這一變化高于鐵磁部件內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)泄漏明顯。

4.2 磁記憶的信號(hào)處理方式

在磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中，借助傅立葉變換可以分析出信號(hào)的變化幅度，信號(hào)能量通常集中于低頻范圍內(nèi)。噪聲干擾存在于高次諧波區(qū)域內(nèi)。磁記憶信號(hào)的特點(diǎn)是頻譜范圍寬于隨機(jī)信號(hào)，頻率表現(xiàn)為不確定。傅立葉變換只能對(duì)磁記憶信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)加以分析。小波變換將磁記憶信號(hào)從時(shí)域擴(kuò)大到頻域。磁記憶信號(hào)激勵(lì)分為尖脈沖噪聲與白噪聲。小波變換的應(yīng)用可以分析出不同條件下磁記憶幅頻特性。信號(hào)若為白噪聲，白噪聲模數(shù)密度與標(biāo)度為負(fù)相關(guān)，即標(biāo)度越大，模量最大值會(huì)同步增大。從磁記憶的機(jī)理可以看出，結(jié)構(gòu)件如果有應(yīng)力集中，或有微損傷突變存在，局部具有奇異性，區(qū)域中會(huì)有不規(guī)則的磁記憶信號(hào)存在，表達(dá)出的位置體現(xiàn)出識(shí)別信息。獲取到的頻譜去除噪聲后，能分析低頻信號(hào)。如果故障特征信號(hào)被過(guò)濾掉，會(huì)漏檢。存儲(chǔ)器信號(hào)要體現(xiàn)出低頻與高頻信號(hào)特征，以體現(xiàn)檢測(cè)部位存在的應(yīng)力集中。

5 磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于煤礦設(shè)備檢驗(yàn)

熱處理的應(yīng)用是為了有效消除焊接后殘余應(yīng)力的影響，保證接頭具有更可靠的性能。磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能確定出應(yīng)力分布區(qū)域，借助應(yīng)力分布能確定應(yīng)力極大值點(diǎn)，確定出受影響的范圍。對(duì)于焊接應(yīng)力的檢測(cè)，得到詳盡的數(shù)據(jù)，可以對(duì)工藝過(guò)程加以評(píng)價(jià)。煤礦中結(jié)構(gòu)類設(shè)備可以用磁記憶加以檢測(cè)。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形后，晶相會(huì)同步變化，馬氏體表達(dá)出磁效應(yīng)。磁記憶檢測(cè)因此適用于金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。

5.1 碳鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用磁記憶檢測(cè)技術(shù)

焊接是設(shè)備加工制造與維護(hù)修復(fù)的重要工藝。焊接伴有高溫，導(dǎo)致施焊區(qū)域溫度存在分布不均現(xiàn)象，材料因此受到熱脹冷縮不均勻的影響，焊接后的殘余應(yīng)力難以保證全部釋放。焊接殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料疲勞損傷加劇，易有脆性斷裂發(fā)生，會(huì)加速早期磨損，腐蝕發(fā)生后會(huì)有蠕變產(chǎn)生。焊接殘余應(yīng)力的消除是保證焊接性能的關(guān)鍵。當(dāng)前多借助熱處理以保證殘余應(yīng)力得以消除，焊接殘余應(yīng)力加以釋放。熱處理的應(yīng)用能保證接頭的性能。煤礦開(kāi)采應(yīng)用了多種大型設(shè)備，裝配需要在現(xiàn)場(chǎng)完成，難以實(shí)現(xiàn)熱處理。磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能檢測(cè)出殘余應(yīng)力，方便調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，因而可以保證施工質(zhì)量，對(duì)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)加以評(píng)估。某煤礦企業(yè)針對(duì)液壓支架借助磁記憶檢測(cè)技術(shù)實(shí)施檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，借助磁記憶檢測(cè)技術(shù)能明確零部件應(yīng)力集中情況，包括數(shù)量、面積、裂紋數(shù)量。

表1 液壓支架磁記憶檢測(cè)結(jié)果

5.2 磁記憶技術(shù)在液壓設(shè)備上的應(yīng)用

磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是對(duì)鐵磁部件表面存在的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)來(lái)表明工件存在的應(yīng)力集中區(qū)域或潛在隱患范圍。煤礦生產(chǎn)中液壓支架中的關(guān)鍵設(shè)備是油缸，油缸的組成多為鐵磁材料。奧氏體經(jīng)過(guò)塑性變形后會(huì)產(chǎn)生晶像位錯(cuò)，位錯(cuò)堆進(jìn)一步發(fā)展成馬氏體微團(tuán)簇。馬氏體體現(xiàn)出磁效應(yīng)，油缸檢測(cè)利用磁記憶檢測(cè)技術(shù)體現(xiàn)出可行性。某煤礦液壓支架缸體采用磁記憶檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，借助磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)出液壓設(shè)備的外缸、內(nèi)缸、活柱存在的應(yīng)力集中與裂紋、凹陷等缺陷，為預(yù)知維修創(chuàng)造了有利條件。

表2 液壓支架缸體磁記憶檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

磁記憶檢測(cè)技術(shù)具有多方面的價(jià)值，可以對(duì)鐵磁部件存在的應(yīng)力集中加以檢測(cè)，能檢測(cè)出隱性缺陷，檢測(cè)范圍可以覆蓋傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)煤礦設(shè)備的維護(hù)，要注意發(fā)揮磁記憶檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以提升設(shè)備的維護(hù)水平。