磁記憶檢測在煤礦設(shè)備檢驗中的應(yīng)用分析

宮 成，謝 沛，曹海青，焦 陽

（1.陜煤集團神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西榆林 719300；2.陜煤集團陜北礦業(yè)公司，陜西榆林 719000）

0 引言

磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用是利用金屬材料具有磁記憶特性對零部件可能存在應(yīng)力集中的部位加以快速檢測。作為一種無損檢測方法，此技術(shù)融合了斷裂力學、金屬學等多個學科，可以檢測出金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的應(yīng)力集中問題，可以準確識別出存在的微觀缺陷、早期疲勞、失效、損傷問題，對于設(shè)備存在的突發(fā)性疲勞損傷問題可以提前采取預防措施。這項技術(shù)的應(yīng)用也是當前可以對金屬結(jié)構(gòu)件加以早期診斷的唯一有效的無損檢測方法。

1 磁記憶檢測的實施原理

煤礦設(shè)備中使用了許多的結(jié)構(gòu)件，體現(xiàn)出強度高、塑性好、韌性好等多方面的優(yōu)勢。但是隨著使用時間的增加，其物理性能會變得劣化，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會有損傷出現(xiàn)，會有微觀缺陷出現(xiàn)。伴隨著時間的推移，這些微觀缺陷會擴大、合并，如果缺少必要的維護措施，發(fā)展到一定程度會對構(gòu)件的強度產(chǎn)生影響。其破壞作用會對結(jié)構(gòu)件的可靠使用造成直接的影響，嚴重時會引發(fā)重大事故。

鐵磁材料在發(fā)生損傷與累積的過程中，其力學性會發(fā)生很大的變化，體現(xiàn)在其光、電、熱、磁等多種物理參數(shù)同步會有變化。物理參數(shù)的變化幅度可以表明鐵磁材料存在的缺陷或損傷的情況。磁記憶作為一種無損檢測技術(shù)，就是借助測量分析構(gòu)件磁信號發(fā)生的變化，對鐵磁材料存在的缺陷、應(yīng)力等參數(shù)加以測量，以明確位置與受損害程度。磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用是利用鐵磁材料本身具有微弱磁場的特性，不用再外加磁化裝置。這是由于地磁場可以作為唯一的外磁場。與其他檢測手段相比，體現(xiàn)出靈活、易于實現(xiàn)等特點。

鐵磁構(gòu)件加工與運行中，其內(nèi)部會有應(yīng)力產(chǎn)生，由于存在應(yīng)力與地磁場的共同作用，材料原有的磁疇結(jié)構(gòu)與分布特征也會隨著應(yīng)力的變化而同步發(fā)生改變，在宏觀上體現(xiàn)為材料發(fā)生磁化。由于磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，磁疇壁位置也會有移動，材料表面存在漏磁場。結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力集中與變形區(qū)域，磁疇組織存在定向與不可逆的重新取向，在沒有工作荷載后還會被保留，可以“記憶”結(jié)構(gòu)件表面存在的應(yīng)力與變形發(fā)生集中的區(qū)域，即表達為磁記憶效應(yīng)。磁記憶檢測儀作為無損檢測，可以測量缺陷與應(yīng)力集中區(qū)域存在的漏磁場Hp，如果法向分量Hp（y）數(shù)值超過了零點，梯度值會有較大值，水平分量Hp（y）能體現(xiàn)出最大值。測量鐵磁材料表面漏磁場Hp 的數(shù)值，結(jié)合其分布情況可以分析出缺陷與應(yīng)力集中存在的區(qū)域。磁記憶技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)件檢測中。

2 磁記憶檢測技術(shù)的實施方法

磁記憶檢測的特點是無損，作為一種新的檢測方式，可以用于表達在工作載荷條件下設(shè)備與金屬結(jié)構(gòu)局部存在的缺陷，通過應(yīng)力集中區(qū)存在的漏磁場加以體現(xiàn)。損傷發(fā)生的過程可以理解為變形區(qū)域存在應(yīng)力集中，原有的金屬性質(zhì)發(fā)生了變化，因此這一現(xiàn)象可以反映設(shè)備運行狀態(tài)下磁化強度發(fā)生的變化。磁記憶可以表達出最大工作載荷條件下局部區(qū)域的情況。傳統(tǒng)模式下的無損檢測只通過查找出已經(jīng)顯現(xiàn)出的缺陷，而磁記憶的優(yōu)勢是可以早期診斷設(shè)備，此時存在應(yīng)力集中部位的缺陷還沒有拓展。磁記憶可以檢測出零部件內(nèi)部存在的應(yīng)力集中問題，能明確設(shè)備存在的最危險部位，而其他無損檢測方法通常難以確定是否存在缺陷。

3 磁記憶檢測的特點與作用

3.1 特點

不同于漏磁檢測，磁記憶檢測具有多方面的優(yōu)勢：①能快速對大型設(shè)備加以檢測；②檢測時可以不借助于磁化設(shè)備就能對鐵制備件進行必要的檢測；③測量中不需要清理被測工件的表面，不需要實施預處理；④適用于特種設(shè)備，如鍋爐、壓力容器、壓力管道等運行狀態(tài)下的檢測。

磁記憶是當前唯一可以保證高精度無損檢測的方法，可以廣泛應(yīng)用于確定設(shè)備是否存在缺陷部位。實踐表明，在損傷區(qū)域的檢測，會有穩(wěn)定磁場強度符號變化線，存在法向分量。針對設(shè)備的檢測，可以將診斷參數(shù)作為磁記憶技術(shù)的基礎(chǔ)。在當前工業(yè)領(lǐng)域，廣泛采用了多種方法，如X 射線、超聲波、γ 射線、磁檢測、渦流、穿透測試。不同檢測方法都有其適用范圍與條件，只能檢測宏觀層面存在的缺陷，檢測材料內(nèi)部存在隱性缺陷（即應(yīng)力集中）存在一定的局限性。借助磁記憶檢測技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，能準確確定出應(yīng)力集中區(qū)域是否具有宏觀缺陷，體現(xiàn)出提出發(fā)生預警信息的價值。磁記憶檢測技術(shù)是檢測部件應(yīng)力集中最為安全并且可靠的檢測方法，采用了非接觸式與無損傷式。檢測如果發(fā)生于特殊磁性裝置中，可以不需要磁場，在工件制造過程中與使用期間可以借助自泄漏磁場對鐵磁部件實施快速檢測，利用地磁場對工件進行磁化。不需要對檢測工件的表面加以清潔拋光或通過其他方式加以處理，降低檢測實施中人員的勞動強度，提升檢測效率。

3.2 磁記憶檢測技術(shù)的價值

磁記憶的價值體現(xiàn)在：①可以評價在用設(shè)備的應(yīng)力分布區(qū)域，能確定應(yīng)力集中的影響范圍；②在裂紋沒有形成之前，可以確定出最大應(yīng)力的集中范圍；③可以與傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)組合使用，確定裂紋或缺陷的發(fā)生區(qū)域；④可以確定應(yīng)力集中或發(fā)生損壞的影響因素；⑤可以用于確定是否需要更換零件，可以評估設(shè)備預期使用壽命，準確判定維修工作量。

4 磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)力集中采用的識別方法

4.1 磁記憶依據(jù)的檢測準則

磁記憶技術(shù)檢測的基本原理是利用地磁場條件描述金屬設(shè)備存在的磁場。這一檢測方法基于鐵磁性理論，可以用于分析漏磁場的發(fā)生原因。金屬結(jié)構(gòu)存在不均勻性，在地磁場條件下，如果存在應(yīng)力集，會有高應(yīng)力能量存在，這導致了材料的疲勞極限會同步降低。材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)原有的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變，存在疇壁錯位，磁彈性會增加。如果總自由能不改變，應(yīng)力集中發(fā)生的應(yīng)力能量會有最小化的趨勢，這一變化高于鐵磁部件內(nèi)部的磁場強度，磁場泄漏明顯。

4.2 磁記憶的信號處理方式

在磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用中，借助傅立葉變換可以分析出信號的變化幅度，信號能量通常集中于低頻范圍內(nèi)。噪聲干擾存在于高次諧波區(qū)域內(nèi)。磁記憶信號的特點是頻譜范圍寬于隨機信號，頻率表現(xiàn)為不確定。傅立葉變換只能對磁記憶信號的時域數(shù)據(jù)加以分析。小波變換將磁記憶信號從時域擴大到頻域。磁記憶信號激勵分為尖脈沖噪聲與白噪聲。小波變換的應(yīng)用可以分析出不同條件下磁記憶幅頻特性。信號若為白噪聲，白噪聲模數(shù)密度與標度為負相關(guān)，即標度越大，模量最大值會同步增大。從磁記憶的機理可以看出，結(jié)構(gòu)件如果有應(yīng)力集中，或有微損傷突變存在，局部具有奇異性，區(qū)域中會有不規(guī)則的磁記憶信號存在，表達出的位置體現(xiàn)出識別信息。獲取到的頻譜去除噪聲后，能分析低頻信號。如果故障特征信號被過濾掉，會漏檢。存儲器信號要體現(xiàn)出低頻與高頻信號特征，以體現(xiàn)檢測部位存在的應(yīng)力集中。

5 磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用于煤礦設(shè)備檢驗

熱處理的應(yīng)用是為了有效消除焊接后殘余應(yīng)力的影響，保證接頭具有更可靠的性能。磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用能確定出應(yīng)力分布區(qū)域，借助應(yīng)力分布能確定應(yīng)力極大值點，確定出受影響的范圍。對于焊接應(yīng)力的檢測，得到詳盡的數(shù)據(jù)，可以對工藝過程加以評價。煤礦中結(jié)構(gòu)類設(shè)備可以用磁記憶加以檢測。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形后，晶相會同步變化，馬氏體表達出磁效應(yīng)。磁記憶檢測因此適用于金屬結(jié)構(gòu)的檢測。

5.1 碳鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用磁記憶檢測技術(shù)

焊接是設(shè)備加工制造與維護修復的重要工藝。焊接伴有高溫，導致施焊區(qū)域溫度存在分布不均現(xiàn)象，材料因此受到熱脹冷縮不均勻的影響，焊接后的殘余應(yīng)力難以保證全部釋放。焊接殘余應(yīng)力會導致材料疲勞損傷加劇，易有脆性斷裂發(fā)生，會加速早期磨損，腐蝕發(fā)生后會有蠕變產(chǎn)生。焊接殘余應(yīng)力的消除是保證焊接性能的關(guān)鍵。當前多借助熱處理以保證殘余應(yīng)力得以消除，焊接殘余應(yīng)力加以釋放。熱處理的應(yīng)用能保證接頭的性能。煤礦開采應(yīng)用了多種大型設(shè)備，裝配需要在現(xiàn)場完成，難以實現(xiàn)熱處理。磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用能檢測出殘余應(yīng)力，方便調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，因而可以保證施工質(zhì)量，對存在的安全風險加以評估。某煤礦企業(yè)針對液壓支架借助磁記憶檢測技術(shù)實施檢驗，結(jié)果見表1。可以看出，借助磁記憶檢測技術(shù)能明確零部件應(yīng)力集中情況，包括數(shù)量、面積、裂紋數(shù)量。

表1 液壓支架磁記憶檢測結(jié)果

5.2 磁記憶技術(shù)在液壓設(shè)備上的應(yīng)用

磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用是對鐵磁部件表面存在的漏磁場強度檢測來表明工件存在的應(yīng)力集中區(qū)域或潛在隱患范圍。煤礦生產(chǎn)中液壓支架中的關(guān)鍵設(shè)備是油缸，油缸的組成多為鐵磁材料。奧氏體經(jīng)過塑性變形后會產(chǎn)生晶像位錯，位錯堆進一步發(fā)展成馬氏體微團簇。馬氏體體現(xiàn)出磁效應(yīng)，油缸檢測利用磁記憶檢測技術(shù)體現(xiàn)出可行性。某煤礦液壓支架缸體采用磁記憶檢測技術(shù)檢驗，結(jié)果見表2。可以看出，借助磁記憶檢測技術(shù)可以檢測出液壓設(shè)備的外缸、內(nèi)缸、活柱存在的應(yīng)力集中與裂紋、凹陷等缺陷，為預知維修創(chuàng)造了有利條件。

表2 液壓支架缸體磁記憶檢測結(jié)果

6 結(jié)束語

磁記憶檢測技術(shù)具有多方面的價值，可以對鐵磁部件存在的應(yīng)力集中加以檢測，能檢測出隱性缺陷，檢測范圍可以覆蓋傳統(tǒng)的檢測技術(shù)。針對煤礦設(shè)備的維護，要注意發(fā)揮磁記憶檢測技術(shù)的優(yōu)勢，以提升設(shè)備的維護水平。