直流磁探在特種設備檢驗的應用研究

賴曉龍

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，福建龍巖 364000）

0 引言

磁粉檢測的物理基礎：鐵磁性材料和工件被磁化后，由于不連續性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發生局部畸變而產生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下目視可見的磁痕，從而顯示出不連續性的位置、形狀和大小，這就是磁粉檢測（Magnetic Particle Testing，MT）。改革開放以來，磁粉檢測技術方興未艾，隨著檢測技術的不斷改進，磁粉檢測是當前較為主流的無損檢測方法之一，已經在許多行業中的鐵磁性材料表面以及近表面缺陷無損檢測中得到廣泛的應用。

對于漏磁場的形成，主要是空氣的磁導率明顯比鐵磁性材料磁導率弱，當某個存在裂紋且已經磁化的鐵磁性部件上，可以表現出非常強的磁感應線，從而會導致某中的一部分磁感應線從裂紋中或缺陷下部繞過，最終導致磁感應線形成不斷的壓縮，但其部件中的壓縮能力，具有一定的限制。因此，存在缺陷的部件中的磁感應線數目也會有所限制。在受到同性磁感應線相斥的影響，會導致許多磁感應線穿過裂紋，而另一部分磁感應線則會受到折射定律的作用，在其部件表面垂直地進入空氣中去繞過缺陷又折回工件，最終形成漏磁場。通過這種方式所形成的漏磁場，其寬度遠比缺陷實際寬度更大，甚至超出數十倍之多。因此，磁痕對缺陷寬度會產生放大，可以讓肉眼不可見的缺陷轉變成為可視磁痕使。磁粉檢測的靈敏度主要在于漏磁場的大小，漏磁場越大，吸附磁粉的能力越強，顯現的磁痕也越明顯。

研究表明，由于缺陷所導致的漏磁場大小，并不會與其部件的磁化程度存在關系。通常情況，外加磁場強度必須要超過產生最大磁導率對應的磁場強度，從而可以讓其磁導率降低，磁阻增加，漏磁場增大。如果鐵磁性材料磁感應強度處于飽和值80%左右，其漏磁場會表現出快速增大的現象。

1 直流磁探的優劣點

在磁粉檢測中，磁軛連續法是應用最廣的方法之一，尤其是在特種設備檢驗檢測當中，NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測—磁粉檢測》進行了檢測規定。近年來，隨著便攜式電磁軛技術的不斷優化，便攜式磁探機廣泛應用于特種設備檢驗當中。這主要受益于便攜式磁探具有以下優點：①非電接觸；②改變磁軛方位，可發現任何方向的缺陷；③便攜式磁軛可帶到現場檢測，靈活，方便；④可用于檢測帶漆層的工件（當漆層厚度允許時）；⑤檢測靈敏度較高。

磁軛連續法由使用的電流不同分為交流電磁軛和直流電磁軛，兩者具有如下優點和局限性見表1。

在特種設備檢驗中，使用便攜式磁探機可以快捷地對鐵磁性材料的表面和近表面缺陷進行檢測。其中交流磁探因交流電的集膚效應，對表面缺陷檢出率較高，是目前特種設備檢驗中應用最廣的檢測方法之一。而直流磁探由于其磁場脈動性小，對表面缺陷檢測靈敏度低，在特種設備檢驗中應用較少。但直流磁探具有很大的滲透性，檢測深度較深，適用于近表面缺陷的檢測，這是交流磁探無法企及的，以下對直流磁探在特種設備檢驗的應用進行研究。

表1 交流電磁軛和直流電磁軛的優點和局限性

2 直流磁探在特種設備檢驗的應用研究目的和意義

通過交、直流電磁軛優劣點對比可以發現，直流磁探最大的優點在于檢測深度較交流磁探深，可以發現交流磁探無法檢測到的近表面內部缺陷，同時其局限性也較為顯著，恒定磁場對檢測對象要求較高，對表面缺陷檢測靈敏度低。因此，如何針對直流磁探的優劣點，展開直流磁探在特種設備檢驗的應用研究，嘗試摸索由直流磁探代替射線等方法對鐵磁性薄壁特種設備進行快捷的內部缺陷檢測，是課題的主要研究目的和意義。

3 直流磁探在特種設備檢驗的應用研究內容

3.1 研究工具

針對目前適應性最廣的便攜式直流磁軛機，采用濕式連續法檢測，配充電電池，提升力滿足NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測——磁粉檢測》標準要求的至少應有177 N。

3.2 研究對象

厚度≤10 mm 的鐵磁性薄壁特種設備。

3.3 研究方法

設計一組厚度（0.5～10）mm 的鋼板試塊，每隔0.5 mm 布置一塊試塊，通過試塊研究直流磁探在鋼板檢測的表面靈敏度以及可檢測深度。

3.4 研究前提

便攜式直流磁探機僅考慮提升力滿足NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測——磁粉檢測》標準要求的至少應有177 N，不考慮電流對磁場強度的影響。磁軛間距也控制在NB/T 47013.4—2015 標準要求的（75～200）mm，必要時根據磁軛所能達到的最小間距進行試驗。檢測靈敏度應滿足A1：30/100 型標準試片驗證要求。

4 直流磁探在特種設備檢驗的應用研究的試驗結果

4.1 磁軛間距對直流磁探的影響

根據電流特性知道，直流電流是恒定電流，其產生的磁場也是恒定磁場，磁場在磁軛之間均衡分布。當施加滿足提升力要求的直流磁軛的磁場時，要想提高磁化強度，只有想辦法把磁場壓縮在受限空間內。顯而易見，在長度方向上可以縮短磁軛之間的距離，在寬度方向上可以降低試件的厚度，以此壓縮直流磁軛的磁場以提高檢測靈敏度。

為滿足NB/T 47013.4—2015 標準對磁軛間距的要求（75～200）mm，直流磁軛間距最小只有縮短到75 mm，以免影響磁痕顯示。因此將在75 mm 磁軛間距下進行進一步研究和試驗。

4.2 直流磁探在不同鋼板厚度的表面靈敏度試驗

鋼板厚度直接影響直流磁軛磁場的分布和強度，因此在每塊試塊的表面中間布置A1：30/100 型標準試片，通過試片磁痕顯示可以發現：鋼板越薄，試片磁痕顯示越明顯。當鋼板厚度超過6 mm 時，試片磁痕顯示已基本模糊不可辯，因此便攜式直流磁探機在滿足提升力的情況下，能滿足A1：30/100 型標準試片檢測靈敏度的有效檢測厚度最大為6 mm。

4.3 直流磁探在同一厚度鋼板不同深度缺陷的檢測能力

通過上述試驗得出直流磁探在滿足A1：30/100 型標準試片檢測靈敏度的有效檢測厚度最大為 6 mm 的結論，那么在≤6 mm 的同一厚度鋼板，下面分析直流磁探對不同深度缺陷的檢測能力的影響。把1 mm 到6 mm 之間的試塊每隔0.5 mm 布置0.5 mm 直徑的長條針孔缺陷，對每個試塊進行磁場強度試驗。通過試驗，即使在最厚的6 mm 試塊上最深的缺陷也可以顯示出明顯的磁痕。說明在滿足A1：30/100 型標準試片檢測靈敏度的前提下，鋼板在6 mm 厚度范圍內的缺陷都可以檢測出來。同時也驗證了直流磁探所施加的恒定磁場，在一定厚度范圍內具備足夠強度檢測厚度范圍內各個深度缺陷能力。

5 結束語

對于穩恒直流電磁軛，產生的磁場均衡布置于兩個磁軛之間工件內部，不同于交流電磁場的集膚效應，直流磁探更有利于較深層缺陷的檢測。在施加同樣的磁通量時，工件厚度越大，磁通密度就越低。通過直流磁探在薄壁鐵磁性試塊的研究試驗，可以得出：對于便攜式直流磁探機，在滿足提升力要求的前提下，最小磁軛間距75 mm，最大有效鋼板厚度為6 mm；而在此基礎上，便攜式直流磁探機可以對該厚度范圍內各個深度的缺陷具備有效的檢測能力。但是，試驗是在試塊上面完成的，試塊的理想工況是一般薄壁鐵磁性特種設備不具備的，因此，當利用直流磁探進行薄壁鐵磁性特種設備內部缺陷檢測時，對表面粗糙度要有充分的準備。