磁記憶檢測技術研究現狀及展望

喬天驕，黃松嶺，趙 偉，王 珅

(清華大學 電機系電力系統國家重點實驗室，北京 100084)

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磁記憶檢測技術研究現狀及展望

喬天驕，黃松嶺，趙 偉，王 珅

(清華大學 電機系電力系統國家重點實驗室，北京 100084)

介紹了磁記憶檢測技術的主要應用方法，分析了相比于其他無損檢測技術，磁記憶檢測具有的優點，并分別從基礎理論、儀器制造以及應用等方面梳理了磁記憶檢測技術的國內外發展現狀。在此基礎上，歸納出目前磁記憶檢測有待解決的關鍵技術問題，并預測了磁記憶檢測技術的未來發展方向。

磁記憶檢測；集中應力；磁致伸縮；早期診斷

鐵磁性金屬構件(包括制品、設備、工件等，以下統稱為“構件”)在現代工業中起到支柱性作用，在交通、航空航天、設備制造、石油天然氣運輸、電力生產等行業和領域有著廣泛應用，因此，保證各種鐵磁性金屬構件的可靠安全運行至關重要。采用傳統的無損檢測方法，如漏磁、磁粉、超聲以及渦流等檢測方法和相應技術，只能對鐵磁性金屬構件中已成型的宏觀缺陷進行檢測，但無法檢測尚未成型的微觀缺陷和應力集中區域，而鐵磁性金屬構件中缺陷的形成，往往是一個區域不斷受到應力集中作用的累積結果。

20世紀90年代后期，俄羅斯的DOUBOV教授率先提出了金屬磁記憶檢測技術的概念[1]，從此，磁記憶檢測便成為了一種新的無損檢測技術。采用金屬磁記憶檢測技術，可以檢測到鐵磁性金屬構件中存在的應力集中區域，而這往往是正在運行的相應設備發生事故的危險區域。目前，金屬磁記憶檢測技術是鐵磁性金屬構件故障早期診斷和預防的一種無損檢測方法[2]。因此，該檢測技術從誕生起，就受到了國內外相關領域研究者和工程技術人員的高度關注，目前已取得了一些理論研究和工程應用成果。

金屬磁記憶檢測方法的主要用途為：① 確定鐵磁性金屬構件上應力應變狀態的不均勻性或應力集中區域；② 確定在鐵磁性金屬構件上應力集中區域的取樣位置，以評估該處的材料結構狀態；③ 鐵磁性金屬構件疲勞損傷的早期診斷和壽命評估；④ 與常規無損檢測方法結合使用，以減少相應檢測工作的成本和材料成本；⑤ 對各種類型鐵磁性金屬構件焊接質量的控制(包括接觸焊與點焊的質量控制)；⑥ 通過鐵磁性金屬構件材料的不均勻性，對新生產以及在用鐵磁性金屬構件實施快速分類等。

與傳統的無損檢測方法相比，金屬磁記憶檢測技術具有明顯優勢：① 不需要專門清理被檢測對象表面或做其他準備工作，可以保持被檢鐵磁性金屬構件的原貌；② 與漏磁檢測相比，無需主動磁化被檢工件，檢測后，也無需進行退磁處理；③ 可檢測正在運行中的鐵磁性金屬構件，也可檢測待修的相應構件；④ 探頭提離值對檢測結果影響較小；⑤ 能靈敏地檢測出鐵磁性金屬構件材料瀕臨損傷的狀態，在應力應變狀態平均、金屬構件材料強度及可靠性分析、構件壽命預測等方面均有獨特的能力[3]。

1 磁記憶檢測技術的基礎理論國內外研究現狀

1998年，俄羅斯的DOUBOV教授在第五十屆國際焊接學術會議上提出了“金屬應力集中區域-金屬微觀變化-磁記憶效應”的概念，并提出了金屬磁記憶檢測方法(MMM)，文中指出，當鐵磁性金屬構件中存在應力集中區域時，其表面漏磁場的法向分量會出現過零的判據。由此，引發了國內外業界人士對該檢測新技術的強烈興趣，并圍繞著該技術是否能夠檢測出應力集中區域，漏磁場法向分量過零是否準確，以及地磁場在其中的影響等多方面的問題，展開了較深入的研究。

磁記憶檢測的原理實際上是磁彈性和磁機械效應共同作用的結果。鐵磁學研究表明，彈性應力對鐵磁體不但產生彈性應變，而且還產生磁致伸縮性質的應變。在應力σ作用下，磁疇壁將改變其位置，同時自發磁化也將改變其方向。因此DOUBOV認為，鐵制工件某一部位在周期性負載和外磁場(如地球磁場)作用下會出現殘余磁感應和自磁化的增長[4]，周期載荷下磁彈性效應原理如圖1所示。

圖1 周期載荷下磁彈性效應原理

金屬磁記憶檢測的物理原理被DOUBOV表述為：處于地磁場環境下的鐵磁性金屬構件受到工作載荷的作用，由于具有磁記憶效應，在該鐵磁性金屬構件應力集中區域表面的漏磁場就會發生相應改變。

目前常用的DOUBOV理論判據是：鐵磁性金屬構件中存在應力集中區域時，其表面漏磁場的法向分量Hp(y)會出現“過零”現象；而其表面漏磁場的切向分量則出現峰值現象。研究表明，這種現象是不可逆的變化，在該鐵磁性金屬構件的載荷撤消后依然會保留下來，鐵磁性金屬構件應力集中區表面漏磁場強度法向分量和切向分量的變化如圖2所示，其中x為切向，y為法向，Hp(x)為切向磁信號，Hp(y)為法向磁信號。因此，可以通過檢測該鐵磁性金屬構件表面漏磁場的變化，來判斷其中是否存在應力集中區域[5]。然而，在DOUBOV的研究中沒有說清楚地磁場在金屬磁記憶產生過程中的作用[6-7]。

圖2 鐵磁性金屬構件應力集中區表面漏磁場強度法向分量和切向分量的變化

南昌航空學院任吉林等從力磁效應微觀機理出發，開展了試驗研究，他們發現，在被測的鐵磁性金屬構件中，隨著應力的變化，磁疇結構也會發生變化；當外部動載荷消除后,由于材料內部存在內耗效應,使得加載在金屬內部所形成的應力集中區也得以保留,為抵消應力集中區的殘余應力能,磁疇組織的重新排列取向也會保留下來,并在試件表面形成漏磁場，從而驗證了可以用磁彈性與磁機械效應來解釋磁記憶原理[8]。后來研究發現，出現漏磁場法向分量的過零現象時，未必就有應力集中；而在應力集中區域，也未必出現法向分量的過零現象。而后，任吉林等人經過研究指出，僅從漏磁場法向過零，還不能獲取足夠的鐵磁性金屬構件內材料特性變化的信息，因此又對二維磁記憶檢測方法進行探索，增加了漏磁信號切向分量取得最大值這一判據，并同時關注漏磁場切向分量、法向分量的一階微分，形成了李薩圖形分析法[9-11]。天津大學黃炳炎等利用描述磁場特性的高斯方程，以及預制焊接裂紋處金屬磁記憶信號的強度等，建立了應力與漏磁信號之間的關系模型，并且對鐵磁性管線鋼裂紋尖端處的應力集中情況進行了定量分析[12]。張利明等對鐵磁性金屬構件的力磁效應進行了有限元分析，其結果使得應力的磁效應源于應力的磁導率效應的理論以及力磁偶模型得到了詮釋，并且發現了應力集中區域的李薩如圖形會出現封閉區域，且封閉區域的面積與應力之間并非是簡單的線性關系[13]。黃松嶺等用金屬磁記憶方法檢測了鐵磁性金屬構件中的應力分布，所得到的結果與盲孔法應力分布檢測結果相吻合，證明了以磁記憶檢測技術檢測鐵磁性金屬構件中的應力分布是可行的[14]。

有關地磁場對磁記憶檢測的作用，學術界一直存在不同觀點：李路明等通過試驗證明了磁記憶檢測可以有效判斷鐵磁性鋼管上存在的應力集中區域，但地磁場在磁記憶檢測中并不會產生決定性影響[15]。黃松嶺等在屏蔽掉地磁場的條件下，將被檢測構件表面的磁場與處在地磁場環境中的被檢構件表面的磁場進行了對比，發現在由應力引發的磁畸變過程中，地磁場的作用微乎其微[16]；在地磁場作用的分析方面，劉美全等得出了類似的結論：固定磁疇結點一旦產生，其磁場強度遠大于地磁場的磁場強度；在基于微弱磁場對鐵磁性金屬構件中缺陷的檢測場合，地磁場只會改變檢測信號的幅值，但并不會影響缺陷信號的特征[17]。鐘力強等通過改變檢測時的環境磁場，發現環境磁場的影響存在兩個特殊區域，檢測時若外部磁場在其范圍內，檢測得到的由應力集中引起的磁場畸變的方向與其他區域相反，而在上述范圍外的環境磁場與畸變磁場基本成正相關關系[18]。

基于磁記憶檢測理論的研究成果，筆者認為，磁記憶檢測到的鐵磁性金屬構件表面漏磁場,其本質上是由于受到應力集中的構件表面磁疇壁發生的畸變，外磁場的影響只能改變這種磁場的幅值而不是特征；在弱磁場如地磁場作用下，或許構件表面漏磁場法向分量過零，還有其他干擾磁場時，有可能整體幅值改變過大導致構件表面漏磁場法向分量不過零。

2 磁記憶檢測技術的儀器研發與應用現狀

目前，雖然磁記憶檢測技術尚未十分成熟，但研究人員已將其應用于相關工程，并開展了大量理論和試驗研究，且研發出了幾種檢測儀器。

俄羅斯動力診斷公司在世界上最先研發出了TSC系列應力集中磁檢測儀及其配套掃描裝置，利用該裝置能夠檢測出鐵磁性金屬構件表面磁場法向分量強度的變化，對被檢測金屬構件中存在的應力集中情況進行評價。2005年5月，愛德森公司林俊明在國內召開的火電廠壽命慣例與延壽國際學術會議上所做的報告中，向與會者展示了我國研發制造的第一臺磁記憶診斷儀[18]。而后，該公司對該磁記憶診斷儀進行改進、優化，又相繼推出了智能型磁記憶檢測儀EMS1000、EMS2000、EMS2003，及其配套用數據處理軟件系統M3DPS[19]。清華大學李路明等研制出了掌上型磁記憶檢測儀，該儀器不但能夠以高靈敏度實時檢測分析鐵磁性金屬構件中應力集中的情況，還可作為弱磁檢測儀使用[20]。北京理工大學高玄怡等研發出了基于嵌入式系統的便攜式磁記憶檢測儀，可實現磁記憶信號的采集及其梯度值的計算[21]。任吉林等基于李薩圖研制了二維磁記憶檢測儀，能有效防止單憑漏磁場法向分量過零做判斷而導致的誤檢情況[9]。

國內外已經將磁記憶檢測應用于很多工程中：梁冰研制了油井鐵磁性金屬套管應力磁記憶檢測儀，并進行了井下試驗，可為井下套管安全狀況評價提供依據[22]。張鵬林等采用金屬磁記憶與X射線照相法相結合的方法，對風電塔筒的焊縫、在役塔筒法蘭連接處的焊接質量等進行檢測，明顯提高了檢測效率[23]。裴濤等將磁記憶檢測技術應用在濕蒸汽發生器爐管的現場檢測中，證實了磁記憶檢測對爐管早期缺陷的發現是一種行之有效的方法[24]。楊偉東等將磁記憶檢測用于汽輪機葉片的早期診斷中，試驗發現了應力集中、但尚未發展成型的裂紋缺陷[25]。烏克蘭等國不僅研發出了用于電站、鍋爐管道和汽輪機葉片強度和可靠性診斷的磁記憶檢測儀，并且制定出了用于評價相應檢測方法和評估檢測儀性能的國家標準[26]。TANASIENKO等將磁記憶方法用于檢測化工設備，發現應力集中區域的被檢設備材料的強度和硬度明顯高于其他區域[27]。

綜上所述，目前磁記憶檢測技術已被電力、航空、管道運輸、鐵路、船舶等多個工業領域所關注。磁記憶檢測儀器不斷完善，從檢測一維信號到能檢測二維信號；從體積較大改進到便攜式檢測儀、掌上檢測儀等。

3 磁記憶檢測存在的問題及展望

3.1 磁記憶檢測存在的問題

(1) 有關磁記憶現象的產生機理，尚未形成一種普遍共識的嚴密的理論體系，至今，仍有基于鐵磁學基本理論的“能量平衡說”，還有基于電磁學的“電磁感應”學說等。

(2) 影響形成磁記憶現象的磁場的因素有很多，如應力的類型、大小、方向，以及不同鐵磁性金屬材料的壓磁性、磁滯性、磁飽和性等，而且每種因素如何影響相應磁場也十分復雜，因此，目前還缺乏評判磁記憶檢測、進行鐵磁性金屬構件缺陷早期診斷的嚴格技術標準。

(3) 作為一種弱磁檢測技術，磁記憶檢測獲得的磁場信號極易受到其他因素的干擾，因此，如何獲取可靠的磁記憶檢測信號，還面臨著諸多困難。

(4) 磁記憶檢測中出現的磁場法向分量的過零現象與應力集中區域之間存在復雜的關聯，并非所有出現應力集中的位置都存在檢測信號法向分量過零的現象，而檢測信號法向分量過零的位置隨被測構件所承受載荷的增加，會向著應力集中的位置移動。鑒于此，并借鑒已有的研究，筆者認為，應當多在檢測所得漏磁場信號的梯度值等與被測構件上應力集中位置之間，建立具體的對應關系方面，開展更深入的研究。

(5) 目前，基于檢測得到的磁記憶信號，還無法獲得有關缺陷的全面信息，也就無法對被檢測對象的具體損傷情況給出定量的評估，即現有的磁記憶檢測技術，僅能作為判斷鐵磁性金屬構件是否存在危險的一種初步判斷方法。

3.2 磁記憶檢測技術的展望

磁記憶檢測是一種以電磁學、無損檢測斷裂力學以及金屬學等多個學科知識為基礎形成的檢測技術，目前在相應基礎理論的研究、儀器設備的研發以及檢測結果量化、損傷程度評估等方面均還存在不少有待解決的難題。鑒于此，筆者認為，磁記憶檢測技術未來的發展方向是：

(1) 對磁記憶效應產生的機理及其影響因素，要通過更深入的理論探索及應用研究，盡早在業界達成共識，形成一套嚴密的理論體系。

(2) 十分有必要形成一套相應漏磁場信號與鐵磁性金屬構件損傷情況的具體量化標準。

(3) 磁記憶檢測應用于現代工業許多領域中的金屬構件缺陷的早期診斷，因此，應該研發制造出專門針對不同領域特點的磁記憶檢測裝置，并形成與之相配套的數據處理分析方法。

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The Current Research Status and Prospects of Magnetic Memory Testing Technology

QIAO Tian-jiao, HUANG Song-ling, ZHAO Wei, WANG Shen

(State Key of Power Systems Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Magnetic memory testing technology is an effective method capable of the early diagnosis of ferro-magnetic metal component defects. This paper briefly introduces the basic principle of magnetic memory testing, analyses the unique advantages of magnetic memory testing by the comparison with other detection, summarizes the development status quo at home and abroad from the aspect of basic theory and the aspect of instrument manufacture and application respectively, proposes the key problem to be solved of the magnetic memory testing technology, and finally forecasts the development direction of magnetic memory testing in the future.

Magnetic memory testing；Stress concentration；Magnetostriction；Early diagnosis

2015-06-03

國家自然科學基金資助項目(51277101)

喬天驕(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測技術。

黃松嶺，E-mail:huangsling@tsinghua.edu.cn。

10.11973/wsjc201611003

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0016-05