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磁记忆检测技术及原理

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磁记忆检测

磁记忆检测原理:磁记忆检测技术实际上是一种漏磁检测技术,和其他磁方法不同的是,检测时 不需要外加磁场,整个过程都在地磁场中进行。在地磁场作用下,磁力线通过缺陷的不均匀分布,出现应力集中现象;同时,由于金属内部存在着多种内耗效应(如粘弹性内耗、位错内耗等) ,势必造成动态载荷消除后,加载时形成的应力集中区得以保留,并具有相当高的应力能。因此,为抵消应力集中区的应力能,磁畴壁开始位移,并改变其自发磁化方向,从而引发磁畴组织的重新取向排列而形成磁极,在构件表面产生漏磁场。金属磁记忆方法(MMM)的基本原理就是利用高灵敏度的磁敏探头记录和分析产生在铁磁构件和设备应力集中区或缺陷区中的自有漏磁场的分布情况,据此可以判断构件的缺陷或应力集中状态。研究认为磁记忆检测技术是对铁磁构件进行早
期诊断唯一行之有效的无损检测方法。

无损检测一般有三种含义,即无损检测 NDT(Nondestructive Testing)、 无损检查NDI (Nondestructive Inspection) 和无损评价NDE (Nondestructive Evaluation) 。目前所说的无损检测大多指 NDT。一般地说,NDT 仅仅是检测出缺陷;NDI则是以NDT检测的结果为判定基础,对检测对象的使用可能性进行判定,含有检查的意思;而 NDE 则是指掌握对象的负载条件、环境条件(如断裂力学中预测材料的安全性及寿命等)下,对构件的完整性、可靠性及使用性能等进行综合评价。
目前的无损检测技术正在由 NDT 向 NDI 和 NDE 等方向过渡,这就要求无损检测工程师不仅要检测出已经出现的缺陷及其分布部位,更要能够在产生破坏前对构件(含寿命、缺陷的发展趋势等)进行预测和评估。相比较而言,传统的方法(磁粉、X-射线、涡流、超声波等)大都用来寻找那些业已出现了的缺陷,不能预防设备的意外疲劳损伤,而这正是运行中的设备损坏和产生事故的主要根源,针对铁磁构件的早期诊断,近年来兴起的金属磁记忆检测(Metal Magnetic Memory Testing,MMM)不失为一种有力的手段.
磁记忆检测技术实际上是一种漏磁检测技术,和其他磁方法不同的是,检测时 不需要外加磁场,整个过程都在地磁场中进行。在地磁场作用下,磁力线通过缺陷的不均匀分布,出现应力集中现象;同时,由于金属内部存在着多种内耗效应(如粘弹性内耗、位错内耗等) ,势必造成动态载荷消除后,加载时形成的应力集中区得以保留,并具有相当高的应力能。因此,为抵消应力集中区的应力能,磁畴壁开始位移,并改变其自发磁化方向,从而引发磁畴组织的重新取向排列而形成磁极,在构件表面产生漏磁场。金属磁记忆方法(MMM)的基本原理就是利用高灵敏度的磁敏探头记录和分析产生在铁磁构件和设备应力集中区或缺陷区中的自有漏磁场的分布情况,据此可以判断构件的缺陷或应力集中状态。研究认为磁记忆检测技术是对铁磁构件进行早
期诊断唯一行之有效的无损检测方法。
  金属磁记忆方法适用于检测铁磁性构件(管道、容器、叶轮、轨道交通设备等)
和焊缝的质量,还可在实验室研究金属的机械性能
。在检测中,金属磁记忆方
法能够确定应力集中区(破损发展的主要根源) 、应力集中区中金属组织的损伤(已
经出现的微观缺陷)以及金属的非致密度(宏观缺陷) 。相对于其他检测方法,采
用金属磁记忆检测有如下优点

⑴ 对受检对象不要求任何准备(清理表面等);
⑵ 不要求做人工磁化。它利用的是工件制造和使用过程中形成的天然磁化强
度;
⑶ 金属磁记忆法不仅能检测正在运行的设备,也能检测修理的设备;   
⑷ 金属磁记忆方法是唯一能以1mm精度确定设备应力集中区的方法;   
⑸ 金属磁记忆仪器体积小、质量轻,便于携带;
⑹ 检测速度快、效率高,可保证百分之百的质量检测和生产在线分选;
⑺ 和传统无损检测方法配合能提高检测效率和精度

2 磁记忆检测的研究现状
金属磁记忆检测是俄罗斯 Dubov.A.A 教授于 20 世纪 90 年代初提出,并于 90
年代后期发展起来的一种材料应力集中和疲劳损伤无损检测与诊断的新方法

可以说,磁记忆检测技术是俄罗斯学者多年来的研究成果。自 1997 年在美国旧金
山举行的第 50 届国际焊接学术会议上得到国际社会的承认后,成为世界各国同仁
的研究热点,在许多国家和地区迅速得到推广应用。
。我国是在 1999 年底开始引
进此项技术,同样引起了国内同行的广泛兴趣和高度重视。
2.1 国外研究现状
早在第二次世界大战期间,前苏联的海军舰艇触到德国水雷遭到破坏时,苏联
学者亚历山大•罗夫院士通过研究后便指出:在振动负载作用下,处于地球场中舰
艇壳体的磁化率增长是造成这一损失的重要原因。具体是,由于磁弹性和磁机械效
应的共同作用,处于地磁场中的舰艇壳体,受海浪撞击等外力的反复作用,其残余
磁性会发生改变和重新分布,并在壳体表面形成漏磁场,从而吸引附近的磁性水雷
而触爆。根据这一原理,苏联海军研制并装备了专用退磁装置,从而有效地减少了
舰艇在磁性水雷的作用下发生爆炸的事故发生
。同样,20 世纪 90 年代,以
Dubov.A.A教授为代表的俄罗斯学者率先将此原理运用到无损检测领域中,从而提
出了一种崭新的无损检测技术——金属磁记忆检测技术,并较早地开展了针对其机理和应用的研究

⑴ 机理及设备探索方面。早在90年代初,俄罗斯Dubov.A.A教授就用专门的
磁力计对铁磁构件的表面应力集中进行了磁记忆诊断,并认为磁记忆的产生是缘于
金属的磁现象物理本质和位错过程之间的关系;在对应力场进行了简单的计算的同
时,他也在相关论著中对磁场特征和磁方法进行了论述
,并建议将磁记忆检测方
法用于热处理、金属机械性能的质量控制以及管道焊缝的检测等领域
。也有研
究人员计算了无缝管道钢表面的随机磁场分布,结果表明微弱的地磁场诱导了管道轴线处横向和纵向的磁场随机分布。
作者A. G. Tanasienko等人用磁记
忆方法检测化工厂设备时,发现应力集中线附近区域的强度和硬度明显高于其他区
域。随着研究的深入,人们发现,磁记忆检测还可以检测出缺陷甚至材料组织的不
均匀性
。然而,应力集中区或缺陷处的应力大小不是一成不变的,应力释放将影
响磁记忆信号的判断
。有人曾对内部加压的液化石油气罐的焊缝进行了磁记忆检
测,结果表明,磁记忆信号在0~2MPa中呈增加趋势,而在2~4MPa阶段急剧下
降,而后者用声发射(AE)技术证实产生了应力释放
。另外,还有人认为磁记
忆方法不能被用来评估高温弯曲时的损坏
。Dubov.A.A等也认为,锅炉管道构
件的高温侵蚀(HTC)问题仍然很紧迫

在设备制造方面,俄罗斯的Energediagnostika(动力诊断)公司研究人员基于
磁记忆开发了两种快速诊断管道和容器状态的方法, 并成功研制了TSC系列金属磁
记忆检测仪及与之配套的数据处理软件MM-CYSTEM
。目前该套仪器和软件已
在多个国家得到推广和应用。
⑵ 应用方面。相对于其他常规的无损检测方法,金属磁记忆由于具备如效
率高、成本低、无需打磨等诸多的优点,在工业上具有重要而广泛的应用前景。目
前在俄罗斯、印度等国,此种检测法已经在石油管道、热电厂涡轮机和管线、锅炉、
航空航天及船舶制造方面得到实际应用

对于管件、罐件(比如锅炉)的检测是金属磁记忆方法应用较为成功的领域之
一。国外有研究表明,在考虑锅炉管道表面缺陷段位置的时候,外部弱磁场(比如
地磁场)应该垂直于管道轴线
。Dubov.A.A教授对应用于控制燃气管道应力集中区的磁记忆检测方法和传统的如拉伸测量法、巴克豪森噪声法、amplitude-phase
frequency characteristics (APFC)方法、硬度测量、试验设计方法等方法之间进行了
比较[47]
。Dubov.A.A还对易受损害的过热装置中的奥氏体管线钢的早期诊断进行了
磁记忆研究,最后通过金相显微镜分析对奥氏体管线钢的检测结果进行了证实

Dubov.A.A将TSC系列金属磁记忆检测仪应用于某钢铁公司电厂的锅炉检测中,验
证了最大应力集中区是缺陷发展的主要根源
;对于焊缝,过去一般采用射线、
超声等常规方法来检测其中的气孔、夹杂物和未熔合等工艺缺陷[51]
。目前国外已有人用金相显微分析等破坏性实验验证了磁记忆在焊缝应力分布检测这一领域的适
用性
,Dubov.A.A甚至用磁记忆方法成功地对电阻点焊的质量进行了控制[53,54]。
另外,磁记忆检测相对于超声波检测、X-射线检测而言,在老旧设备的寿命评估上
有着良好的应用前景。Dubov.A.A等人利用其成功地对压力容器、石油管道、燃气
管道等进行了寿命评估
。Chechko, I.I.等人则提出了基于操作经验和对失效扩
展的早期磁记忆诊断的共同效应来评估电站设备服务寿命的概念

2.2 国内研究现状
⑴ 机理及设备探索方面。我国近几年才开始引进磁记忆检测技术,在原理探
讨方面,任吉林等从晶体结构出发,从理论和实验上分析了金属磁记忆检测的机理
丁辉等进一步对裂纹类缺陷的理论模型进行了计算,指出裂纹埋藏越深,漏
磁场的变化幅度越小、分布区域越宽;裂纹宽度越大,漏磁场沿宽度方向分布越平
缓。肖述红的研究表明,漏磁场过零并非一定有缺陷,认为材料在熔炼、锻造
等加工工艺中均有可能形成磁构造,表现磁性。张亚梅则发现,连续小波变换能
量法可以弥补零值点理论的不足。有研究人员则利用分子场理论求得了受力金属杆
件的有效场表达式,从而对磁致伸缩为正的铁磁材料在应力集中处漏磁场切向分量出现最大值、同时法向分量为零值的现象给出了理论解释
。随着研究的深入,被研究对象越来越具体。清华大学对材料为 16MnR 的低合金高强钢的管道焊缝应力集中区域进行了检测,结果表明地磁场分布对磁记忆检测的磁场数值有很大影响,但对磁记忆场的分布特征没有本质的影响
。另有人研究了Q235 钢在拉伸时表面漏磁场垂直分量的分布,发现试样表面漏磁强度的变化和弹性变形之间没有必然的联系,其塑性变形滑移线及其相应磁场转变点的位置也不受地磁场影响

高春法等人的研究则表明在应力集中区漏磁场垂直分量Hp (y)的最大值随载荷应
力的增大而下降,且在塑性变形后下降趋缓,Hp(y)和应力变化为近似线性关系
⑵ 应用方面。任吉林等也对电站汽轮机叶片和高压缸体,由应力集中引起的
损伤区域进行了磁记忆诊断。 另有研究人员用金属磁记忆方法及时检测出了叶片
的大部分应力集中区域和破坏的倾向,这种方法被成功地用在刚果水利发电站的叶轮机叶片的检测中。 黄松岭等人发现焊缝区的磁记忆检测结果与盲孔法应力分
布检测结果具有较好的一致性,也有人用超声波对此进行了验证。
综上所述,随着我国科学和工业技术的迅速发展,高温、高压、高速和高负载,
无疑已经成为现代化工业的重要标志。伴随着这种发展,各行各业对产品或设备的
质量和安全性要求不断提高。金属磁记忆无损检测方法作为目前能够同时检测应力
集中区及其组织中的损伤、各种宏观缺陷的唯一有效方法,已经被越来越多的人和
各工业部门所认识和重视,特别是在石油化工管道、发电站、轨道交通设备等领域
得到了广泛的应用,并取得了显著的经济效益和社会效益。可以预见,不久的将来,
此项技术将会得到更为广泛的应用。
3 磁记忆检测仪器结构及工作原理
铁制工件表面磁场 Hp(y)的信息由高灵敏度测磁传感器拾取,经滤波、信号处
理电路处理变成与 Hp(y)成对应关系的模拟电信号,该信号经放大、采样保持后,
通过A/D转换成数字电信号输人掌上电路系统进行数据处理,而后由屏幕显示检
测结果。
基于磁记忆检测原理的设备工作原理如图 1 所示,它包括由磁敏传感器和距
离传感器组成的探头,由滤波器、放大电路、A/D转换器和单片机等组成的信号处
理电路,由掌上电路系统进行显示。

它的工作过程可以描述为:用户根据需要,通过键盘控制掌上电脑和单片机设
计好相应的参数;移动磁敏传感器和距离传感器及测速装置组成的探头,把工件磁
场的信息数据采集,然后将所采集的数据经滤波器、放大电路处理,再由信号处理
电路中的和A/D转换器和电平转换电路把信号转成我们所需的数字信号, 交由单片机
控制系统和掌上电脑通讯,最后掌上电脑则负责这些数据显示或者和上位机通讯,去驱动打印机,打印数据。单片机控制系统负责控制单片机和上位机的通信接口电路,A/D转换电路。其中掌上电脑的微处理器提供各系统的控制信号,协调各部件工作,显示信号处理结果,键盘操作,和上位机通讯等。其中,传感器是相当重要的
部件,传感器的性能好坏对检测结果有很大影响。因此,传感器是关键,单片机系统
和掌上电脑是核心。

4磁记忆检测对焊缝的作用和优势
众所周知 裂纹是焊接结构中最危险的缺陷 宏观的裂纹会导致焊接结构的报废,微观的裂纹如果不能被及时发现,也会极大地降低焊接结构安全运行的可靠性,甚至会造成灾难性事故的发生 ,具有更大的危害性
目前工程 中使用的传统无损检测方法 (如射线检测 、超声波检测 、磁性检测以及渗透检测等配合使用虽然可以确定焊接接头 中已经存在的超标裂纹一 ,但是无法或很难确定裂纹和以应力集 中为特征的潜在危险部位 ,更不能确定接头的临界损伤状态 ,这是造成设备和结构突发性破坏事故发生的重要原因。因此如何科学地对焊接接头进行检测与评价一直是焊接领域十分重要 的研究课题 ,
“西气东输二线”等重大工程的开工建设更是给焊接结构的无损检测与评价方法提出了新的挑战 ,要求实现对焊接裂纹等缺陷的早期诊断与评价 。就无损检测技术的发展现状来
看 ,金属磁记忆检测技术具有能够对焊接结构中的微观缺陷进行早期诊断 ,防止突发性破坏事故发生的潜在优势 ,被认为是迄今为止能够对铁磁性材料的内部损伤进行早期诊断的惟一可行的无损检测方法.
5金属磁记忆检测焊接缺陷的独特优势
在焊接过程中,焊缝金属经历了快速熔化和快速冷却过程 ,必然产生非平衡的特殊组织和应力集中区 ,焊缝 中应力集中区的形成会聚集相 当高的应力能。为了使铁磁构件 内的总的 自由趋于最小,在材料内部主要以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加 ,从而在铁磁构件 内部产生大大高于地球磁场强度的畸变磁场。金属力学性能的研究表明,即使在金属材料的弹性变形区 ,完全没有能量损耗的完全弹性体是不存在的。
由于金属内部存在着多种内耗效应 (如弹粘性 内耗、位错内耗等)势必造成动态载荷消后 ,加载时在金属内部形成的应力集中区会得以保留,特别是在动载荷 、大变形和高温情况下突出。保 留下来的应力集中区同样具有较高的应力能,因此 ,为抵消应力能 ,在磁机械效应的作用下引发的磁畴组织的重新取 向排列也会保 留下来,并在应力集中区形成类似缺陷的漏磁场分布形式。对于焊接结构而言 ,焊接缺陷的存在必然会使其应力一应变状态改变 ,
而应力一应变状态的改变又会使材料表面漏磁场的信号改变 因此 可 以通过提取漏磁 场信 号的特征 量 对焊 接缺 陷进行 描述 。
利 用MMM 检测技术不仅 可以 检测到 已经 形成 的宏 观缺陷 ,还可以检测到焊缝中的微观缺陷,以及以高应力集中水平为特征 的损伤萌生状态 ,这就显示 出 MM M检测技术在焊接缺陷检验 中具有其他无损检测方法所不具备的独特优势。
6金属磁记忆在焊接缺陷检测领域的发展方向从 国内外总体研究现状来看 ,目前对 MMM 的研究虽然取得了一些检测经验和研究成果 ,但在焊接缺陷的检测与评价方面还 没有建立量化的判定标准。如何将金属磁记忆技术在材料早期损伤诊断方面的潜在优势转化为现实的技术手段 ,利用该方法对结构损伤(包括焊接缺陷) 进行科学的检测和评价 尚有问题待解决 :
第一 ,焊接缺陷的磁记忆信号的反演,也就是利用磁记忆信号对材料内部损伤缺陷进行定量描述的问题。由于影响磁记忆检测的因素很多 ,
绝大多数情况下 ,焊接缺陷部位的磁记忆场特征与焊接缺陷并非单值对应关系 ,有时甚至会出现相互矛盾 的结果 ,因此 ,如何利用磁信号对焊接缺陷进行反演也一直是金属磁记忆方法及其他磁性检测方法所巫待解决的关键问题。
第二 ,焊 接缺 陷的定量检测 和评价准 则问题 。目前 ,金属磁记忆方法主要用于大面积的缺陷定性检查 ,在应力集中部位仍需采用传统 的 N D T 方法来确定缺 陷的形式及其具体参数 。目前 ,在课题组 的努力下虽然 已经初 步实现 了焊接裂纹 的量化检 测 ,
但其他类型焊接缺陷 的信号特征 以及磁记忆量化描述问题尚未解决

济南三木科仪检测技术有限公司

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