磁記憶檢測技術在壓力容器上的應用

胡　斌,沈功田

(中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

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磁記憶檢測技術在壓力容器上的應用

胡斌,沈功田

(中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

針對磁記憶檢測技術在壓力容器檢驗應用過程中存在的信號識別混亂、易誤判等問題，分析了在載荷作用下，表面缺陷、埋藏缺陷等不同缺陷類型以及點狀、面狀和體積型等不同缺陷性質(zhì)的磁記憶信號產(chǎn)生規(guī)律,并且分析了典型缺陷的磁記憶信號特征。結果表明：面狀缺陷可以通過磁記憶信號的梯度值、幅值和曲線特征來進行定位和判斷，其他類型缺陷的識別度較低。在載荷作用下，磁記憶信號隨缺陷擴展端的應力狀態(tài)而變化；在缺陷擴展期間，磁記憶信號的梯度值和幅值與應力值呈單調(diào)遞增關系，缺陷擴展端應力釋放后，磁記憶信號也隨之下降。結合不同檢測方法的結果比對，建立了以梯度值、幅值、峰峰值及環(huán)境磁場值為參數(shù)的磁記憶信號評價方法，明確了磁記憶檢測技術在壓力容器上的適用范圍和檢測對象為活性缺陷和應力集中區(qū)域的檢測。

磁記憶；壓力容器；缺陷；應力狀態(tài)

壓力容器在加工、焊接、安裝和運行過程中，會產(chǎn)生應力集中,而存在應力集中的部件，其材料的力學性能、抗腐蝕性能、疲勞強度和蠕變極限較其他區(qū)域均有大幅下降[1-2]，成為導致壓力容器失效的主要因素。應力和應力集中的檢測，是無損檢測學術界和工程界的關注焦點之一。X射線衍射[3]、超聲[4]、巴克豪森[5]、渦流[6]、電磁超聲[7]等多種無損檢測方法被嘗試應用于應力集中的檢測，這些方法都有著各自的優(yōu)點和適用范圍。二十世紀90年代,俄羅斯科學家提出了磁記憶檢測的概念[8]，由于其評價應力集中的能力和無需磁化等優(yōu)點引起了國內(nèi)無損檢測研究人員極大的關注。

仲維暢[9]、李路明[10-12]、任吉林[13]、棃連修[14]、雷銀照[15]、徐濱士[16]、張衛(wèi)民[17]、李午申[18]、徐敏強[19]等研究團隊對磁記憶現(xiàn)象的機理和應用開展了研究；耿榮生在航空器檢測方面[20]、沈功田等在特種設備檢測領域[21]、鐘萬里等在電力系統(tǒng)檢測應用方面[22]分別進行了嘗試。筆者介紹了壓力容器常見的應力集中、缺陷的磁記憶信號特征及其變化規(guī)律，以及磁記憶檢測技術的評價參數(shù)及流程。

1　應力集中的磁記憶信號

鐵磁性材料在載荷和地磁場作用下，由于磁機械效應的作用，在應力集中區(qū)域會發(fā)生磁疇組織定向和不可逆重新取向的現(xiàn)象，而這種磁狀態(tài)在載荷消除后仍然存在，即為磁記憶效應[8]。但在壓力容器的實際檢測中，在相同的載荷或者應力集中狀態(tài)下的磁記憶信號并不相同的現(xiàn)象時有發(fā)生，與Dubov的理論描述也存在較大的差異。這一問題導致磁記憶檢測方法受到工程界的眾多質(zhì)疑。針對此問題，清華大學和中國特檢院開展了相關的試驗研究工作。

1.1磁記憶信號與應力的對應關系

通過分析盲孔法測量焊接構件的應力曲線與磁記憶檢測信號的關系，將相同區(qū)域測得的徑向、軸向方向的磁場和軸向應力值做歸一化處理后(圖1)，發(fā)現(xiàn)材料表面磁場畸變中徑向、軸向方向磁場與相同區(qū)域的應力分布值具有一致性，驗證了磁記憶信號的大小與對應的應力之間存在著對應關系[23]。

圖1　磁記憶檢測與盲孔法檢測結果對比

1.2磁記憶信號的影響因素

通過對不同C含量的鐵磁性材料試件在地磁場環(huán)境下，不同載荷情況下的磁記憶信號特征(見圖2,圖中注釋表示交變載荷加載的次數(shù)及開裂狀態(tài))的分析，表明C含量的不同導致材料磁特性的變化是引起相同條件下磁記憶信號大小的關鍵因素，但磁記憶信號的曲線走向不受影響；環(huán)境磁場會影響磁記憶信號的產(chǎn)生，但對磁記憶信號的放大作用是非線性的。不同影響因素的作用各異，且為非線性疊加，是實際檢測應用中磁記憶信號幅值各異的原因[23]。

圖2　地磁場下不同材料的磁記憶信號

在進一步比較了5種不同碳含量材料應力集中區(qū)域的磁記憶信號后，發(fā)現(xiàn)[25-28]：鐵磁性強的材料的退磁影響更為明顯(圖3)；環(huán)境磁場對應力集中磁記憶信號的影響主要在于其與主應力同方向的磁場分量，而在應力集中磁記憶信號形成過程中、檢測過程中的磁場有著截然不同的影響規(guī)律(圖4)。

圖3　不同材料退磁后應力集中區(qū)的畸變磁場的峰峰值

圖4　載荷為800 N時不同檢測時機和加載磁場的磁記憶信號峰峰值

1.3壓力容器應力集中的磁記憶檢測

壓力容器在制造、安裝和運行過程中，由于工藝問題或介質(zhì)的作用會產(chǎn)生應力集中，這些應力集中區(qū)域是典型的危險區(qū)。這是磁記憶檢測方法在壓力容器中的一個重要應用方面，因此在對具體磁記憶信號的判別時，需結合上述影響因素綜合考慮，以提高檢測準確率。

2　常見缺陷的磁記憶信號

金屬磁記憶檢測方法自1997年引入我國以來，就被應用于壓力容器的檢驗。在前期實驗室工作的基礎上，結合現(xiàn)場檢測的情況，對采集的磁記憶信號進行了分類、分析，并通過TOFD、UT、MT等檢測手段予以驗證。

2.1表面缺陷

表面開口裂紋是壓力容器最常見的一類表面缺陷，其成因也各不相同，但均存在應力集中的區(qū)域。表面開口裂紋的磁記憶信號一般較易識別。

圖5　表面裂紋(無載荷)的典型磁記憶信號

裂紋在擴展以后會釋放掉應力，在裂紋的邊緣形成新的應力集中區(qū)域，從而導致裂紋的繼續(xù)擴展，這是磁記憶信號在裂紋的中心區(qū)較邊緣區(qū)小甚至是無法檢測到的原因；此外，裂紋的磁記憶信號一般存在交變特征，但由于環(huán)境因素的影響，在進行偏置后會出現(xiàn)過零點現(xiàn)象。圖5為同一表面裂紋在無載荷情況下的磁記憶信號，圖5(a)的磁記憶信號峰峰值是圖5(b)的2倍。圖5中方框內(nèi)的Hp-1表示通道1的磁記憶信號;Hp-2,Hp-3,Hp-4分別表示通道2,3,4的磁記憶信號,下文同。

表面開口裂紋處磁場包括兩部分：以環(huán)境磁場為磁化場在裂紋處形成的漏磁場和應力集中導致的磁記憶信號。表面開口裂紋的典型磁記憶信號可分為兩類，一類為靜態(tài)非受載情況下的磁記憶信號；一類為受載狀態(tài)下的磁記憶信號。其主要區(qū)別是受載狀態(tài)下，由于應力的存在而導致的應力磁化現(xiàn)象，此時測量的磁場信號是應力集中導致的磁場與載荷應力磁化場的矢量疊加(圖6)。

圖6　表面裂紋(承載)典型磁記憶信號

此外，壓力容器的表面凹坑也是一種常見的表面缺陷，常見于制造安裝階段，多為非擴展性缺陷。表面凹槽的外觀及其磁記憶信號的示例見圖7。圖中dH1/dx表示通道1的磁記憶信號梯度值,以此類推,dH2/dx～dH4/dx分別表示2～4通道的信號梯度值。圖8～11同。

圖7　表面凹槽的外觀及其磁記憶信號示例

由于凹槽區(qū)域的應力集中程度較低，多為不擴展型缺陷，其表面磁場信號具有典型的漏磁場特征；在沒有強磁場激勵或者強剩磁場的條件下，測量的磁場信號非常微弱，但可以通過磁場畸變區(qū)域來判斷凹槽的位置和掃查方向上的尺寸。

2.2埋藏缺陷

埋藏缺陷的類型可分為面狀缺陷和體積型缺陷。

埋藏缺陷檢測面的磁場由兩部分構成：一部分是以環(huán)境磁場為磁化場，由于缺陷導致的結構不連續(xù)的漏磁場傳遞到檢測面的部分磁場，一部分為應力集中導致的磁記憶信號。同等條件下，對于面狀缺陷，由于存在應力集中區(qū)域，其會沿著應力集中區(qū)域的邊緣擴展，危險性較大，此時的應力集中導致的磁記憶信號較漏磁場大；對于體積型缺陷，應力集中值較小，磁記憶信號較弱，傳遞到工件表面的則會更小。因此，可以依據(jù)磁記憶信號的絕對值和峰峰值來判斷埋藏缺陷是否為危險性缺陷。圖8中TOFD發(fā)現(xiàn)兩處缺陷信號(左側為未融合，右側為條渣)，雖然在磁記憶檢測結果中也在對應位置發(fā)現(xiàn)異常信號，但只有左側未融合的信號較為明顯。左側信號峰峰值為310 A·m-1,梯度值k為32 A·m-1·mm-1;右側的條渣雖然長度較長，但是在磁記憶信號顯示中只是在位置上有對應，其峰峰值只有160 A·m-1，且絕對值最大值僅有80 A·m-1，k值則小于10，在信號判別上只屬于異常區(qū)域，一般不定義為缺陷。

圖8　TOFD-磁記憶檢測結果對比

埋藏缺陷由于形成的原因較多，且形成過程中環(huán)境磁場、焊接磁場、環(huán)境溫度等因素都對缺陷的磁記憶信號的最終曲線和幅值有影響，導致類似缺陷所產(chǎn)生的磁記憶信號不一致。

2.3小結

在對磁記憶信號進行判別的時候，一方面要考慮到磁記憶信號的形成歷史，另一方面要依據(jù)磁記憶信號的絕對值、峰峰值和梯度值進行預判是否存在損傷部位，再采用其他無損檢測手段(UT、TOFD、ET、MT)在磁記憶信號異常部位進行復驗來確定是否存在缺陷。一般只建議采用磁記憶方法確定面狀缺陷，而對于出現(xiàn)磁記憶信號異常但其他方法未能發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷的，應予以重點關注。

3　在役缺陷的動態(tài)磁信號

壓力容器的工作狀態(tài)多處于受壓狀態(tài)，缺陷在載荷作用下會出現(xiàn)一定的變化，尤其是在水壓試驗過程中甚至會出現(xiàn)缺陷擴展，但由于缺乏認識,在水壓試驗過程中難以發(fā)現(xiàn)。中國特檢院團隊重點研究了壓力容器水壓試驗過程中表面非擴展性缺陷和埋藏缺陷在載荷作用下的磁記憶信號變化規(guī)律。

3.1表面缺欠

由于早期制造質(zhì)量和焊縫成形質(zhì)量不好的原因，焊瘤是壓力容器上最為常見一種的缺欠，在實際檢驗過程中一般不予處理。為獲取表面缺欠在水壓過程是否存在擴展并導致缺陷的產(chǎn)生，選取某報廢的LPG儲罐進行加水壓試驗，加壓過程中測量了焊瘤區(qū)域的磁記憶和聲發(fā)射信號，該焊瘤區(qū)域在加壓前即存在磁記憶異常信號(圖9)。

圖9　加壓前焊瘤區(qū)域的磁記憶信號

在比較整個加壓過程中的磁記憶變化規(guī)律和聲發(fā)射的監(jiān)測結果后發(fā)現(xiàn),磁記憶信號的幅值和梯度值隨著載荷的增大總體上升，在達到最大值之后(圖10)，隨著載荷的增大迅速下降(圖11)。聲發(fā)射在此期間監(jiān)測到多個定位源。試驗結束后進行打磨復驗，在焊瘤附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)了數(shù)十條3～5 mm的裂紋[29]。

圖10　壓力為2MP時焊瘤區(qū)域的磁記憶信號

圖11　焊瘤磁記憶信號隨壓力變化的曲線

由于焊瘤區(qū)域焊接成形不好導致焊接殘余應力的產(chǎn)生，因此在LPG罐的焊瘤區(qū)域出現(xiàn)磁記憶異常信號。同時，該區(qū)域在水壓試驗后出現(xiàn)大量的表面小裂紋，說明殘余應力和應力集中的存在是導致裂紋產(chǎn)生的原因。因此，對于傳統(tǒng)檢驗中不予考慮的表面缺欠，若存在磁記憶異常信號，應進行處理或重點關注。

3.2埋藏缺陷

了解埋藏缺陷在受壓情況下的磁記憶信號特征及其變化規(guī)律,是磁記憶檢測方法應用于壓力容器不停機檢測的一個重要前提條件。

以HP345基氣瓶瓶身內(nèi)壁加工的狹長尖角槽為研究對象，分析了磁記憶信號曲線隨載荷變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)缺陷處出現(xiàn)可識別突變磁記憶信號時的最小載荷遠遠小于工作壓力，缺陷突變時的磁記憶信號峰峰值和最大梯度隨載荷變化的曲線劃分為三個階段[30]。

缺陷區(qū)域的磁記憶信號雖然在未加載時能夠標識出，但由于加工和采用TOFD檢測過程中的磁污染，導致缺陷的磁記憶信號被掩蓋在噪聲信號中(圖12中的0 MPa曲線)，隨著載荷的加大，磁記憶信號隨缺陷擴展端的應力狀態(tài)而變化；在缺陷擴展期間，磁記憶信號的梯度值和幅值與應力值整體呈單調(diào)增加的關系(圖13)，缺陷擴展端應力釋放后，磁記憶信號也隨之下降。

圖12　信號幅值Hp曲線隨載荷σ的變化規(guī)律

圖13　埋藏性缺陷的Hp-p-σ曲線和dH/dx-σ曲線

3.3小結

載荷在一定程度上對缺陷區(qū)域的磁記憶信號有放大作用，對于埋藏缺陷的在線檢測，磁記憶方法具有一定的靈敏性和前瞻性，輔以其他檢測手段的驗證，可以將可擴展的活性缺陷篩選出來，也是磁記憶檢測方法的一大優(yōu)勢。

4　壓力容器上的應用準則

金屬磁記憶檢測方法目前已廣泛應用于壓力容器的在役檢測和在制設備的焊接質(zhì)量抽查。通過大量數(shù)據(jù)的積累和驗證，確定了磁記憶檢測方法的應用準則。

4.1評價參數(shù)及流程

在以上參數(shù)已經(jīng)清晰的前提下，磁記憶異常信號的評價流程如圖14所示。圖中m表示信號梯度值的最大值與平均值的比值,mref為給定的參考比值;當所采集信號的m值超過參考值,即認為需要對磁記憶信號進行評價。

圖14　磁記憶異常信號評價流程

4.2過零點的討論

傳統(tǒng)觀點認為，過零點處即為應力集中線(點)，是應力集中區(qū)域的中心部位。當應力對稱分布時，由于應力方向發(fā)生變化，導致磁疇翻轉(zhuǎn)的方向發(fā)生變化，工件表面表征磁場信號的符號也發(fā)生變化;過零點是應力集中區(qū)域的中心部位，是應力的集中線(點)。在表面裂紋的邊緣處，過零點現(xiàn)象非常明顯。對于埋藏缺陷，由于焊接和結構等原因?qū)е聭Ξa(chǎn)生的來源多樣化,使得工件表面磁場的變化并不能指示出埋藏缺陷造成的應力集中的部位，此時的過零點并不是應力集中線(點)的充要條件。

5　結論

(1) 磁記憶信號的產(chǎn)生由于受到材料、加載歷史、環(huán)境磁場等的影響，其信號特征及變化規(guī)律尚無法完整的用數(shù)學公式統(tǒng)一表達，但可依據(jù)影響因素的作用來優(yōu)化磁記憶信號的提取和分析。

(2) 面狀缺陷可以通過磁記憶信號的梯度值、幅值和曲線特征進行定位和判斷，而其他類型缺陷的識別度較低。在載荷作用下，磁記憶信號隨缺陷擴展端的應力狀態(tài)而變化。

(3) 磁記憶信號產(chǎn)生的根源是鐵磁性材料在環(huán)境磁場作用下,應力及應力集中所導致的磁場畸變。理論上任何的應力變化、結構不連續(xù)、應力非均勻分布都能引起磁記憶信號的變化，但應力大小、應力集中系數(shù)和結構不連續(xù)的類型作用效果各異，是導致磁記憶信號各異的主要原因。因此，在同一條件下，可利用磁記憶信號判斷壓力容器上的危險區(qū)域及其狀態(tài)、宏觀缺陷及其類型。

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Application of Magnetic Memory Testing Technology on Pressure Vessel

HU Bin, SHEN Gong-tian

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Magnetic memory testing (MMT) technology has been wildly used in metal component on stress concentration and defect detection. In order to resolve the problem that it is difficult to identify the damage MMT signal and the misinformation often appears, the rules of magnetic memory signal of different types (including surface defects and inner defects) and different nature (including punctuate, planar and volumetric defects) while being under different load conditions according to the actual pressure vessel operation have been studied. The characteristics of typical defects magnetic memory signal are analyzed. The results show that the planar defects can be identified and located by the gradient, amplitude and the curvilinear character of magnetic memory signal, whereas the other types of defect is hard to distinguish. The magnetic memory signal changes with the stress situation of the defect extended edge under loads. The gradient and amplitude of magnetic memory signal increase monotonically with increasing stress value during the defect extending and fall after the stress released. Compared with the results of different NDT method, the evaluation method of magnetic memory signal of typical defect is put forward by the appraisal parameters with reference value, and the appraisal parameters including the gradient, amplitude, the peak value and the environmental magnetic field value. The application scope and object of MMT in pressure vessel are defined and limited to inspect the active defects and stress concentration zone.

Magnetic memory; Pressure vessel; Defect; Stress state

2015-10-30

國家自然科學基金資助項目(51377173)

胡斌(1977-)，男，高級工程師。主要從事電磁檢測技術的研究工作。

10.11973/wsjc201512018

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0075-07