磁記憶檢測在煤礦設備檢驗中的應用分析

宮 成，謝 沛，曹海青，焦 陽

（1.陜煤集團神南產業發展有限公司，陜西榆林 719300；2.陜煤集團陜北礦業公司，陜西榆林 719000）

0 引言

磁記憶檢測技術的應用是利用金屬材料具有磁記憶特性對零部件可能存在應力集中的部位加以快速檢測。作為一種無損檢測方法，此技術融合了斷裂力學、金屬學等多個學科，可以檢測出金屬結構件內部結構存在的應力集中問題，可以準確識別出存在的微觀缺陷、早期疲勞、失效、損傷問題，對于設備存在的突發性疲勞損傷問題可以提前采取預防措施。這項技術的應用也是當前可以對金屬結構件加以早期診斷的唯一有效的無損檢測方法。

1 磁記憶檢測的實施原理

煤礦設備中使用了許多的結構件，體現出強度高、塑性好、韌性好等多方面的優勢。但是隨著使用時間的增加，其物理性能會變得劣化，材料內部結構會有損傷出現，會有微觀缺陷出現。伴隨著時間的推移，這些微觀缺陷會擴大、合并，如果缺少必要的維護措施，發展到一定程度會對構件的強度產生影響。其破壞作用會對結構件的可靠使用造成直接的影響，嚴重時會引發重大事故。

鐵磁材料在發生損傷與累積的過程中，其力學性會發生很大的變化，體現在其光、電、熱、磁等多種物理參數同步會有變化。物理參數的變化幅度可以表明鐵磁材料存在的缺陷或損傷的情況。磁記憶作為一種無損檢測技術，就是借助測量分析構件磁信號發生的變化，對鐵磁材料存在的缺陷、應力等參數加以測量，以明確位置與受損害程度。磁記憶檢測技術的應用是利用鐵磁材料本身具有微弱磁場的特性，不用再外加磁化裝置。這是由于地磁場可以作為唯一的外磁場。與其他檢測手段相比，體現出靈活、易于實現等特點。

鐵磁構件加工與運行中，其內部會有應力產生，由于存在應力與地磁場的共同作用，材料原有的磁疇結構與分布特征也會隨著應力的變化而同步發生改變，在宏觀上體現為材料發生磁化。由于磁疇結構發生改變，磁疇壁位置也會有移動，材料表面存在漏磁場。結構件的應力集中與變形區域，磁疇組織存在定向與不可逆的重新取向，在沒有工作荷載后還會被保留，可以“記憶”結構件表面存在的應力與變形發生集中的區域，即表達為磁記憶效應。磁記憶檢測儀作為無損檢測，可以測量缺陷與應力集中區域存在的漏磁場Hp，如果法向分量Hp（y）數值超過了零點，梯度值會有較大值，水平分量Hp（y）能體現出最大值。測量鐵磁材料表面漏磁場Hp 的數值，結合其分布情況可以分析出缺陷與應力集中存在的區域。磁記憶技術可以被廣泛應用于各類結構件檢測中。

2 磁記憶檢測技術的實施方法

磁記憶檢測的特點是無損，作為一種新的檢測方式，可以用于表達在工作載荷條件下設備與金屬結構局部存在的缺陷，通過應力集中區存在的漏磁場加以體現。損傷發生的過程可以理解為變形區域存在應力集中，原有的金屬性質發生了變化，因此這一現象可以反映設備運行狀態下磁化強度發生的變化。磁記憶可以表達出最大工作載荷條件下局部區域的情況。傳統模式下的無損檢測只通過查找出已經顯現出的缺陷，而磁記憶的優勢是可以早期診斷設備，此時存在應力集中部位的缺陷還沒有拓展。磁記憶可以檢測出零部件內部存在的應力集中問題，能明確設備存在的最危險部位，而其他無損檢測方法通常難以確定是否存在缺陷。

3 磁記憶檢測的特點與作用

3.1 特點

不同于漏磁檢測，磁記憶檢測具有多方面的優勢：①能快速對大型設備加以檢測；②檢測時可以不借助于磁化設備就能對鐵制備件進行必要的檢測；③測量中不需要清理被測工件的表面，不需要實施預處理；④適用于特種設備，如鍋爐、壓力容器、壓力管道等運行狀態下的檢測。

磁記憶是當前唯一可以保證高精度無損檢測的方法，可以廣泛應用于確定設備是否存在缺陷部位。實踐表明，在損傷區域的檢測，會有穩定磁場強度符號變化線，存在法向分量。針對設備的檢測，可以將診斷參數作為磁記憶技術的基礎。在當前工業領域，廣泛采用了多種方法，如X 射線、超聲波、γ 射線、磁檢測、渦流、穿透測試。不同檢測方法都有其適用范圍與條件，只能檢測宏觀層面存在的缺陷，檢測材料內部存在隱性缺陷（即應力集中）存在一定的局限性。借助磁記憶檢測技術，可以發現宏觀缺陷，能準確確定出應力集中區域是否具有宏觀缺陷，體現出提出發生預警信息的價值。磁記憶檢測技術是檢測部件應力集中最為安全并且可靠的檢測方法，采用了非接觸式與無損傷式。檢測如果發生于特殊磁性裝置中，可以不需要磁場，在工件制造過程中與使用期間可以借助自泄漏磁場對鐵磁部件實施快速檢測，利用地磁場對工件進行磁化。不需要對檢測工件的表面加以清潔拋光或通過其他方式加以處理，降低檢測實施中人員的勞動強度，提升檢測效率。

3.2 磁記憶檢測技術的價值

磁記憶的價值體現在：①可以評價在用設備的應力分布區域，能確定應力集中的影響范圍；②在裂紋沒有形成之前，可以確定出最大應力的集中范圍；③可以與傳統無損檢測技術組合使用，確定裂紋或缺陷的發生區域；④可以確定應力集中或發生損壞的影響因素；⑤可以用于確定是否需要更換零件，可以評估設備預期使用壽命，準確判定維修工作量。

4 磁記憶檢測技術應用于應力集中采用的識別方法

4.1 磁記憶依據的檢測準則

磁記憶技術檢測的基本原理是利用地磁場條件描述金屬設備存在的磁場。這一檢測方法基于鐵磁性理論，可以用于分析漏磁場的發生原因。金屬結構存在不均勻性，在地磁場條件下，如果存在應力集，會有高應力能量存在，這導致了材料的疲勞極限會同步降低。材料內部分子結構原有的穩定狀態發生改變，存在疇壁錯位，磁彈性會增加。如果總自由能不改變，應力集中發生的應力能量會有最小化的趨勢，這一變化高于鐵磁部件內部的磁場強度，磁場泄漏明顯。

4.2 磁記憶的信號處理方式

在磁記憶檢測技術的應用中，借助傅立葉變換可以分析出信號的變化幅度，信號能量通常集中于低頻范圍內。噪聲干擾存在于高次諧波區域內。磁記憶信號的特點是頻譜范圍寬于隨機信號，頻率表現為不確定。傅立葉變換只能對磁記憶信號的時域數據加以分析。小波變換將磁記憶信號從時域擴大到頻域。磁記憶信號激勵分為尖脈沖噪聲與白噪聲。小波變換的應用可以分析出不同條件下磁記憶幅頻特性。信號若為白噪聲，白噪聲模數密度與標度為負相關，即標度越大，模量最大值會同步增大。從磁記憶的機理可以看出，結構件如果有應力集中，或有微損傷突變存在，局部具有奇異性，區域中會有不規則的磁記憶信號存在，表達出的位置體現出識別信息。獲取到的頻譜去除噪聲后，能分析低頻信號。如果故障特征信號被過濾掉，會漏檢。存儲器信號要體現出低頻與高頻信號特征，以體現檢測部位存在的應力集中。

5 磁記憶檢測技術應用于煤礦設備檢驗

熱處理的應用是為了有效消除焊接后殘余應力的影響，保證接頭具有更可靠的性能。磁記憶檢測技術的應用能確定出應力分布區域，借助應力分布能確定應力極大值點，確定出受影響的范圍。對于焊接應力的檢測，得到詳盡的數據，可以對工藝過程加以評價。煤礦中結構類設備可以用磁記憶加以檢測。鋼結構發生塑性變形后，晶相會同步變化，馬氏體表達出磁效應。磁記憶檢測因此適用于金屬結構的檢測。

5.1 碳鋼結構應用磁記憶檢測技術

焊接是設備加工制造與維護修復的重要工藝。焊接伴有高溫，導致施焊區域溫度存在分布不均現象，材料因此受到熱脹冷縮不均勻的影響，焊接后的殘余應力難以保證全部釋放。焊接殘余應力會導致材料疲勞損傷加劇，易有脆性斷裂發生，會加速早期磨損，腐蝕發生后會有蠕變產生。焊接殘余應力的消除是保證焊接性能的關鍵。當前多借助熱處理以保證殘余應力得以消除，焊接殘余應力加以釋放。熱處理的應用能保證接頭的性能。煤礦開采應用了多種大型設備，裝配需要在現場完成，難以實現熱處理。磁記憶檢測技術的應用能檢測出殘余應力，方便調節焊接工藝參數，因而可以保證施工質量，對存在的安全風險加以評估。某煤礦企業針對液壓支架借助磁記憶檢測技術實施檢驗，結果見表1。可以看出，借助磁記憶檢測技術能明確零部件應力集中情況，包括數量、面積、裂紋數量。

表1 液壓支架磁記憶檢測結果

5.2 磁記憶技術在液壓設備上的應用

磁記憶檢測技術的應用是對鐵磁部件表面存在的漏磁場強度檢測來表明工件存在的應力集中區域或潛在隱患范圍。煤礦生產中液壓支架中的關鍵設備是油缸，油缸的組成多為鐵磁材料。奧氏體經過塑性變形后會產生晶像位錯，位錯堆進一步發展成馬氏體微團簇。馬氏體體現出磁效應，油缸檢測利用磁記憶檢測技術體現出可行性。某煤礦液壓支架缸體采用磁記憶檢測技術檢驗，結果見表2。可以看出，借助磁記憶檢測技術可以檢測出液壓設備的外缸、內缸、活柱存在的應力集中與裂紋、凹陷等缺陷，為預知維修創造了有利條件。

表2 液壓支架缸體磁記憶檢測結果

6 結束語

磁記憶檢測技術具有多方面的價值，可以對鐵磁部件存在的應力集中加以檢測，能檢測出隱性缺陷，檢測范圍可以覆蓋傳統的檢測技術。針對煤礦設備的維護，要注意發揮磁記憶檢測技術的優勢，以提升設備的維護水平。