金屬磁記憶技術在水電站蝸殼焊縫檢測上的應用

徐良玉，劉海云，曹 波，張 帆，鄧金榮

(1.國網新源水電有限公司新安江水力發電廠，浙江建德311600；2.浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州310000)

金屬磁記憶檢測是俄羅斯Dubov.A.A教授于20世紀90年代初提出，并于90年代后期發展起來的一種材料應力集中和疲勞損傷無損檢測與診斷的新方法[1]。我國是在1999年底開始引進此項技術，引起了國內同行的廣泛關注和高度重視，目前該技術在我國水電行業的應用，尚處于探索階段。

新安江水電站蝸殼焊縫磁記憶檢測結果表明，該技術在水電行業金屬結構焊接質量控制上，具有極強的針對性及適應性，解決了傳統檢測步驟中打磨帶來的時間成本及人工成本；通過檢測應力集中這一特征參數，極大的縮小了后續無損檢測的范圍，保障水電機組安全，提高檢測效率。

1 蝸殼焊接結構特點及其常規檢測方法

蝸殼是水電廠水輪發電機組的主要組件之一，其結構特點如圖1所示。

圖1是蝸殼整體效果，其結構為現場組焊，板材對接焊接，X形坡口，表面涂有防腐層，圖2是圖1中位置1的局部剖面圖。蝸殼焊接結構的特點在于焊縫集中且數量大，表面涂層不光滑，且厚度普遍大于1 mm；蝸殼板材厚度d范圍在30～130 mm之間，依據結構位置不同而有所變化。

蝸殼焊縫焊接過程中可能產生的缺陷包括表面裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未融合、咬邊、焊縫尺寸缺陷等[2]；蝸殼在投用過程中，主要可能產生的缺陷包括表面銹蝕、應力開裂等。

針對上述問題，當前的檢測方法是對蝸殼內表面焊縫按照一定比例抽檢(如抽檢10%對接焊縫)，步驟包括：①砂輪打磨，要求打磨至焊縫表面漏出金屬光澤；②通過MT、UT、RT、TOFD等無損檢測方法，檢測焊縫的表面、內部質量；③數據分析，出具檢測結果報告。

圖1 蝸殼整體示意

圖2 位置1局部對接焊縫剖面示意

傳統檢測方法考慮到打磨、檢測環節的效率，故按一定比例抽檢，其局限在于抽檢的盲目性，可能造成缺陷的漏檢問題。如果在傳統檢測工藝中加入金屬磁記憶檢測技術，可有效的解決上述問題。

磁記憶檢測方法的優點之一是：掃查速度快，金屬表面的涂層、粗糙度對磁記憶檢測無影響。在傳統檢測步驟之前，通過磁記憶技術，預先檢測應力集中區域，進而針對應力集中區域進行打磨、常規無損檢測等后續步驟，則可極大的提高檢測效率，減小漏檢的幾率。

2 金屬磁記憶檢測原理及方法

2.1 磁記憶技術原理

鐵磁材料構件存在磁致伸縮效應，即當改變構件的磁化狀態時會導致構件幾何尺寸的微量變化；反之，若對構件施以機械應力改變其幾何尺寸和體積，會使構件中磁化狀態發生改變，此為磁致伸縮逆效應或機械磁效應[3]。

金屬構件在工作過程中受到應力作用后產生形狀和體積的改變，必然會引起磁化狀態發生變化。磁機械效應使得鐵磁性金屬工件在應力作用區表面的磁場增強，增強后的磁場“記憶”了部件應力集中的位置，這就是磁記憶效應。

金屬構件內部宏觀缺陷、表面裂紋尖端，具有應力集中現象，利用磁記憶檢測儀對鐵磁構件表面法向磁場HP(y)的檢測便可以有效地發現構件中的應力集中部位[3～5]。

2.2 金屬磁記憶檢測方法

實驗用TSC-1M- 4型應力集中磁檢測儀，該儀器是應用金屬磁記憶法來測量、記錄和處理設備與結構的應力形變狀況的診斷數據的系統。

(2)已經產生嚴重塑性變形的應該進行處理。

(3)對常規無損檢測方法發現缺陷的部位，但磁記憶檢測未發現應力集中，表明結構強度未受影響，不用做去應力處理；依據行業標準進行消缺處理。

3 實驗室模擬試驗結果分析

蝸殼現場存在磁場干擾。磁記憶檢測技術原理是提取應力集中處的磁信號，基于這一特征，驗證磁記憶技術在蝸殼現場檢測過程中的適用性、以及周圍磁場的影響，尤為重要。

取規格為30 mm×500 mm×25 mm的拉伸試樣在實驗室環境(無磁場干擾)、蝸殼現場環境(周圍存在磁場)下分別進行磁記憶檢測，箭頭為傳感器掃查方向。對比分析，驗證蝸殼工況下磁記憶檢測技術的可行性。

試樣在拉伸狀態下，金屬內部存在應力集中，松開夾持端，試樣內仍存在殘余應力，經磁記憶檢測，試樣的塑性變形處及后面部分存在應力集中。圖3、4是我們所用儀器(型號為TSC-1M- 4)的檢測結果，采用四通道并行排列傳感器，四根不同顏色的曲線是各自傳感器的采樣值，其中Hp- 4感應地磁場。

首先從兩組數據的左側圖譜上分析，兩幅圖的整體波動形狀無顯著差異，測得應力集中區域均為：Lx=340～490，依據評估方法，曲線存在跳躍性變化，工件內部存在應力集中。

圖3 實驗室檢測數據

圖4 蝸殼現場環境檢測數據

工作環境磁記憶檢測參數特征值KmaxИНKСРИΗm(max)Hp?4?KmaxИНHp?4?KСРИΗHp?4?m(max)實驗室環境200003137403100002144679蝸殼現場環境3000031313541200002627628

應力集中的判定首先為測得曲線的波動性，再而m(max)值，蝸殼周圍的磁場干擾對曲線的整體形狀無影響，對特征量m(max)有一定的影響，但并不影響應力集中結果的判定。則可認為，磁記憶檢測技術適用于蝸殼現場檢測環境。

4 蝸殼焊縫磁記憶檢測結果分析

圖5 磁記憶診斷

圖6 磁記憶診斷

圖7 磁記憶診斷

5 磁記憶檢測技術在水電站蝸殼焊縫檢測中的應用評價

磁記憶方法能否檢測缺陷，是目前該領域研究的問題之一。當前的共識是，磁記憶可以用來檢測鐵磁性構件的應力集中部位，但這并不等同于宏觀缺陷。如何通過組織的應力集中情況，結合宏觀檢測及常規無損檢測手段，用以反映工件缺陷的存在、以及缺陷對工件安全性的影響，是磁記憶方法在工業領域應用的重要意義。

根據磁記憶技術的原理及其特點，該技術的檢測時機在常規無損檢測之前，作為整個檢測過程的一個環節。其意義在于檢測應力集中，進而針對應力集中區域進行常規無損檢測，以達到縮小檢測范圍、提高檢測效率、提高缺陷檢出率的目的。

除上述應用之外，在水電領域，磁記憶技術也可用來評估金屬結構狀態，早期診斷疲勞損壞，以及設備、構件的壽命預評估。

6 結 語

金屬磁記憶方法作為一項新興的無損檢測技術，理論基礎仍不完善，但其在應力集中檢測上的獨到之處，已得到業內的廣泛認可。隨著磁記憶理論的不斷完善，弱磁檢測技術發展成熟，相關標準、法規的制定，磁記憶檢測技術必將廣泛應用于水電檢測、石油化工、航空航天、輕工、冶金、建筑等諸多領域，在特種設備以及重要金屬部件的質檢、安全性評價等方面的應用更為廣泛，在產生經濟效益的同時，為我國工業的穩定發展保駕護航。

[1] 王麗, 馮蒙麗, 丁紅勝, 等. 金屬磁記憶檢測的原理和應用[J]. 物理測試, 2007, 25(2): 25- 30．

[2] 董麗虹, 徐濱士, 董世運. 金屬磁記憶技術表征應力集中、 殘余應力及缺陷的探討[J]. 材料工程, 2009(8): 19- 23．

[3] 鄧勇剛, 劉念念, 黃怡然, 等. 高強度連接螺栓金屬磁記憶檢測[J]. 鉆采工藝, 2010, 33(1): 60- 63．

[4] 李濟民, 張亦良. 拉伸變形過程中磁記憶效應及微觀表征的試驗研究[J]. 壓力容器, 2009, 26(8): 15- 20．

[5] 劉紅光, 張衛民, 毛新顏. 基于磁記憶檢測技術的焊接缺陷多參數識別系統[J]. 制造業自動化, 2009, 31(2): 7- 10．