基于磁记忆检测技术的游乐设施检测方法研究

白星

摘要：在大型游乐设施中，销轴类部件以及焊缝作为核心金属连接件，承载较大载荷，起到关键的连接作用，直接涉及到人身和设备安全。在每年的定期检验过程中，对所规定的游乐设施重要轴、销轴的要求是进行不低于20%的无损探伤，而常规的无损检测方法只能检测出已然存在的宏观缺陷。本文讨论了常规无损检测技术在游乐设施中的应用，提出了磁记忆检测技术可以对游乐设施金属部件缺陷起到早期预报作用，磁记忆信号梯度值K可以表征45钢缺陷的部位。在一定程度上，弥补了常规无损检测方法无法探伤轴的内部应力集中区等缺陷早期形态的不足。

Abstract： In the large-scale amusement facilities， the pin parts and the weld as the core metal connector， carry a large load， and play a key role in connection， so they are directly related to personal and equipment safety. In the annual periodic inspection process， the required requirements of the amusement facilities axis， pin requirements are not less than 20% of the nondestructive testing， and conventional non-destructive testing methods can only detect the existing macroscopic defects. In this paper， the application of conventional nondestructive testing technology in recreational facilities is discussed. It is proposed that magnetic memory detection technology can play an early warning role in the defects of metal parts of recreational facilities. The magnetic memory signal gradient K can characterize the defects of 45 steel defects， which， to a certain extent， make up for the conventional non-destructive testing methods can not detect the shaft of the internal stress concentration area defects such as the early form of deficiencies.

关键词：游乐设施；无损检测；磁记忆；应力集中；预报

Key words： recreational facilities；nondestructive testing；magnetic memory；stress concentration；prediction

中图分类号：X941 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0131-03

1 研究背景

社会经济的快速发展使人们对生活品质的追求也越来越高，由于大型游乐设施能够满足人们的感官刺激和冒险心理，相应的主题公园正在蓬勃发展，并呈现出高空、高速、高刺激的发展趋势。大型游乐设施在给人们提供精神和身体上享受的同时，也存在一定的风险，在其运行过程中摆动幅度大、速度快、惯性大、涉及范围广，一旦设备失控或者安全防护措施不到位，将会造成严重的人员伤亡和财产损失。大量事故案例表明，由于大型游乐设施公共性强的特点，极易造成社会恐慌并引起广泛关注。

由于游乐设施自身运行特点，部分可能产生相对运动的金属部件，其应力集中区在交变载荷的作用下最容易发生断裂。根据经验，金属部件在承受交变载荷时，即使载荷的大小处于弹性范围之内也会产生疲劳断裂。疲劳断裂是一种突发情况，带来的危险不言而喻。在工程實际中，我们更希望对游乐设施重要的金属部件将要发生疲劳破坏的位置进行提前预判，而并非是发生破坏后再进行分析。

2 游乐设施无损检测技术要求

GB8408-2008中给出了游乐设施制造和安装过程中无损检测的具体要求。

①涉及到人身安全的重要的轴、销轴，应进行100%的超声波与磁粉或渗透探伤。涉及到人身安全的重要焊缝，应进行100%的磁粉或渗透探伤。超声波探伤方法和质量评定按GB/T4162有关规定执行，检验质量等级不低于A级。厚度大于250mm的零件超声波检验方法和质量评定按GB/T6402有关规定执行，检验质量等级不低于2级。②磁粉探伤方法与质量评定按NB/T47013.4有关规定执行，检验质量等级不低于III级。渗透探伤方法与质量评定按NB/T47013.5有关规定执行，检验质量等级不低于III级。③有必要进行焊缝射线探伤的，其探伤方法与质量评定按JB/T4730有关规定执行，检验质量等级不低于II级[1]。

按照游乐设施监督检验规程（试行）和通用技术条件的相关要求，滑行车的车轮轴、立轴、水平轴、车辆连接器的销轴、陀螺转盘油缸、吊厢等处的销轴、飞行塔吊舱吊挂轴、赛车车轮轴、自控飞机大臂、油缸、座舱处的销轴、观览车吊舱吊挂轴、单轨列车联接器销轴等每年应进行不低于20%的超声波与磁粉（或渗透）探伤。转马中心支撑轴、旋转座舱立轴和曲柄轴、陀螺转盘主轴及大臂、飞行塔主轴、自控飞机主轴、规矩不小于600mm的小火车车轮、连接器等重要轴、销轴及水上游乐设施的重要零部件至少在大修时应探伤[2]。

3 无损检测技术在游乐设施中的应用

射线检测在游乐设施定期检验中不作要求。只有对滑行车类游艺机，当滑行车类游艺机的车速不小于50km/h时，必要时需对轨道对接焊缝进行射线探伤。滑行车类游艺机的轨道一般采用钢管或者工字钢，壁厚较小，常规的射线探伤即可满足要求[3]，得到合格的底片就可以对缺陷进行定性和定量。

超声检测主要是应用于游乐设施中直径大于Φ12的重要轴和销轴，在制造或安装过程中要进行100%的超声探伤，定期检验要求进行不低于20%抽检，超声波探伤方法和质量评定按GB/T4162有关规定执行，检验质量等级不低于A级。脉冲反射波形中包含着缺陷位置和大小等信息，该方法对裂纹缺陷较为敏感。

磁粉检测首先要对被检部件表面进行预处理，通过一个外加磁场将工件磁化，然后观察磁粉在外加磁场作用下的磁痕，缺陷的信息通过磁痕可以直观的显示出来，易于辨认。但磁粉检测方法容易受工件结构形状、材质等方面的制约[4]。游乐设施的焊缝以及金属零部件不允许出现超标裂纹，在检验过程中应对被检部件进行90°方向的交叉磁化检测，以降低漏检率。

渗透检测前一般必须对被检部件进行清洁和干燥处理，表面不得有影响渗透效果的铁锈及各种防护层等。检验程序一般分为清洗、渗透、去除、干燥、显像。从某种程度上说，渗透检测是作为磁粉检测的辅助检测手段，即在某些情况下，由于材料或其结构形状等原因，有些部位不利于磁粉检测和其他检测方法有效进行，那么渗透检测法便派上用场。

上述四大类常规无损检测方法是目前游乐设施检验检测中最常用的检测方法，其技术成熟，操作较为简单方便快捷。但是，它们却有共同的不足点，即只能检测出已经存在的宏观缺陷，对检测出部件的应力集中区——缺陷成型的早期形态显得无能为力。

4 磁记忆检测技术在游乐设施检验中的应用

20世纪末，俄罗斯学者杜波夫提出了一种新的无损检测方法——金属磁记忆检测法。金属磁记忆检测法的原理是在地磁场环境下，当外载荷作用于构件上时，构件内部的应力集中区会在磁机械效应的作用下使磁畴结构产生定向移动和不可逆的重新取向，表现为在构件表面形成漏磁场，载荷卸去后漏磁场不会消失，且这种溢出工件表面的漏磁场强度与内部应力有关，且大于地磁场，因此可以通过分析构件表面的漏磁场得到构件内部的应力和变形情况。对于应力集中区域往往是缺陷产生前的征兆，当可以对应力集中区或者缺陷的发展进行准确判定时，便可以认为该检测方法具有預报作用。金属磁记忆检测恰恰具有这种预报作用，这也是它的突出优点。

试验采用应用广泛的游乐设施销轴用45钢，作为一种经济、安全、实用的游乐设施轴、销轴用钢，目前在我国大型游乐设施制造领域里用途较广，用量较大。45钢其屈服强度为355MPa，抗拉强度为600MPa。试验采用45钢标准试件，扫描长度200mm，在中心部位提前预制了裂纹缺陷，模拟应力集中区。在WI-60万能材料试验机上加载载荷从0kN到15kN，以5kN的幅度递增，当加载到指定载荷后保持载荷不变持续3分钟。为了减少夹头磁性对试验结果的影响，本试验检测时取下试件进行离线测量，即拉伸到预定载荷并保持到预定时间，然后卸载，记录各级载荷下试件表面垂直焊缝方向的磁记忆信号。每次测量试件磁信号的位置和检测方向保持一致，一次测量完毕之后，把试件重新安装到拉伸机上进行下一次加载，为了保证试验结果的准确性，试件在拉伸机上应重复上一次的摆放位置。

试件表面磁记忆信号梯度值K为相邻两测点间的Hp（y）之差与两测点间距离Δx的比值，其计算公式可表示为：45钢在拉伸试验过程中，试件表面磁记忆信号的梯度值分布如图1所示。由图1可以看出，在试件预制缺陷处，即扫描线的中心部位，梯度曲线出现了大幅度凸起，达到了极大值，由此可见，磁记忆信号梯度值这一特征量可以用来表明45钢缺陷的位置。在拉伸试验前，试件的梯度值在缺陷位置出现了突变现象，极大值大约为8。不难发现，随着拉伸载荷的增大，Kmax整体上是呈上升趋势。在45钢的弹性阶段，即0-10kN期间，Kmax变化范围为8-25左右，Kmax是随着拉伸载荷的增大而提高，但提高的幅度不是很大。当进入屈服阶段，即拉伸载荷有10kN渐变为15kN，梯度极大值Kmax激增到60左右。因而，根据梯度极大值Kmax的变化情况我们可以判断试件内部的一个应力水平。

金属磁记忆检测技术具有较强的灵敏度，其结果方便检测人员观察，所以在平时的游乐设施检验过程中确定部件表面甚至是内部的应力集中区是方便快捷的。更重要的是，磁记忆检测技术作为一种全新的无损探伤方法，它直接向着实现准确判定金属部件的早期缺陷的方向发展，与其他无损检测方法比较，总结出了磁记忆检测技术的四个特点：①地球所产生的天然地磁场就能够满足金属磁记忆检测所需的磁场条件，这就省去了游乐设施检验过程中磁化部件这一道工序；②磁记忆检测可以适应各种条件下的工件，工件表面状态对检测结果影响不大，因此我们就可以在游乐设施原有状态下直接检测，不需要过多的预处理，这就方便了对再役游乐设施的检验检测；③检测结果直观，方便观察定性；④检测设备便于携带，检测速度较快。设备操作简便，显示直观[5]。

5 结论

①大型游乐设施公共性强，出现任何性质的事故都会造成社会恐慌并引起广泛关注。因此迫切需要找到一种可以提前预判游乐设施金属构件缺陷部位的检验方法。②无损检测技术在确保游乐设施制造安装质量和使用过程中的安全运行扮演着重要角色，然而常规的无损检测只能检测出已经存在的宏观缺陷。金属磁记忆检测技术作为一种新兴的无损检测方法，可以对游乐设施金属部件缺陷起到早期预报和在线监测的作用，弥补了常规无损检测方法无法探伤轴的内部应力集中区等缺陷早期形态的不足。③利用磁记忆信号梯度值这一特征量可以表征45钢缺陷的部位，通过分析梯度极大值Kmax的变化情况可以初步判断出45钢试件内部的应力集中程度。

参考文献：

[1]GB8408-2008，游乐设施安全规范[S].2008.

[2]国质检锅[2002]24号，游乐设施监督检验规程（试行）[Z].2002.

[3]沈功田，姚泽华，吴彦.游乐设施的无损检测技术[J].无损检测，2006，28（12）：652-654.

[4]李志刚.浅谈磁粉检测在压力容器检验中的应用[J].价值工程，2014：19-20.

[5]张世亮.金属构件疲劳损伤的磁记忆检测试验研究[D].秦皇岛：燕山大学，2015：1-4.