特种设备金属磁记忆检测方法探究

梁志刚

（广东省特种设备检测研究院中山检测院，广东 中山 528403）

特种设备金属磁记忆检测方法探究

梁志刚

（广东省特种设备检测研究院中山检测院，广东 中山 528403）

承压类设备构件中应力集中的分析，一直都是无损检测的难点。金属磁记忆检测技术以其可靠性和稳定性，居于无损检测技术的重要地位。在特种设备微观、宏观缺陷的检测中，是一种重要的检测手段。本文阐述金属磁记忆的基本原理，并在工程实践中加以实践。

应力集中；无损检测；金属磁记忆；特种设备

随着国民经济的快速发展，工业生产中越来越多的应用特种设备。所谓的特种设备是指压力容器、锅炉、电梯、管道以及大型工程设备等各种危险性大涉及生命安全的承压类设备。在这些大型结构中，不论是焊接、铸造、锻造还是机加工，总是会在结构内会形成缺陷，造成应力集中。大量数据表明，结构的损坏失效都是发生在机械应力集中的位置。内应力与其加工技术（焊接、机械加工、热处理、锻造等）息息相关。虽然已经意识到对特种设备进行全面安全检查的需要，但实际上，需要大量时间和人力来完成任务。因此，传统的无损检测方法（超声波、X射线、磁检测等）由于其操作复杂，如测量表面和人工磁化的检测需要对其表面清洗。由于传感器的自身结构的不足，严重影响了大型设备和大跨度结构检测。在本文中，应用了一种新型的金属磁记忆无损检测技术。该方法不需要处理被测物体的表面，广泛地应用于各种特种设备的应力检测且检测速度非常快。

1 金属磁记忆原理及特点

1.1 金属磁记忆原理

金属磁记忆检测方法的应用是基于铁磁部件在工作条件下的磁记忆效应。当在铁磁场环境中外部负载发生变化时，产生磁畴取向具有磁致伸缩特性和在应力集中区的不可逆重新定向，使铁磁部件磁导率逐渐降低达到最小，在金属表面上形成涡流，产生漏磁场。漏磁场强度的切向分量的具有最大值和法线分量改变符号，并且具有零值。在移除工作负载之后，磁性状态的不可逆变化的情况下保持原有状态，并且记录下应力集中的位置，这称为磁记忆效应。

1.2 金属磁记忆特点

在工业生产中，广泛使用的常规NDT方法是：X射线测试、超声波测试、磁检测、涡流测试和γ穿透测试，其中每一种都有使用限制条件，并且只能检测宏观缺陷，以检测材料隐性不连续区域（即应力集中）存在限制。金属磁记忆检测技术不仅可以发现宏观缺陷，而且还可以用于指示应力集中的位置，有无宏观缺陷，因此具有预警能力。

金属磁记忆检测技术主要的技术特点有以下几个方面。

第一它是铁磁部件检测应力集中最安全可靠的检测方法，非接触式和无损伤性。

第二在特殊磁性装置中不需要使用磁场，并且通过在工件的制造和使用期间形成的自泄漏磁场来实现铁磁部件的快速检测。这是第二次利用自身结构传输信息的方式。

第三不需要清洁抛光或以其他方式处理的待检测工件的表面。降低劳动强度，提高检测效率。

第四设备便携，易于操作，灵敏度好，重复性和可靠性高。

2 金属磁记忆检测中应力集中区信号的识别

2.1 金属磁记忆检测准则

金属磁记忆方法的基本原理是在地磁场的环境下记录金属设备的磁场。基于铁磁性的基本理论，可以很好地解释漏磁场的原因。由于金属结构的不均匀性，

在地磁场中，在外部应力集中将产生集中的高应力能量，降低材料的疲劳极限。根据原子最低能态原理，材料分子结构的最稳定状态是产生畴壁错位，主要是增加磁弹性能量的形式，以抵消应力集中。在增加总自由能不变的形式下，可以使应力集中产生的应力能量趋势最小，这是比铁磁部件中磁场强度更高于地球磁场强度的泄漏磁场强。由于金属的各种内耗效应的存在，消除金属后动态应力集中区载荷得以保持。待测铁磁部件上散射的漏磁场与机械应力分布的变化(MPa)之间的对应关系：

2.2 金属磁记忆信号处理

在磁记忆测试中，通过傅立叶变换分析，信号能量主要分布在低频范围内，高次谐波表现为噪声干扰。磁记忆信号频谱相当宽属于随机信号，准确的来说频率不确定，所以说傅立叶变换分析只能对磁记忆信号时域的性质进行研究，小波变换分析拓宽了这一思路，把磁记忆信号从时域转到频域。磁记忆信号激励主要包含尖脉冲噪声和白噪声，应用小波变换的方式在不同的时间尺度下研究磁记忆信号的幅频特性。

当激励为尖脉冲信号)(tδ时，应用小波变换：

从金属磁记忆的工程实验和机理来看，应力集中区域或微损伤突变常常表示为局部奇异性和区域中的不规则磁性磁记忆信号（最大），在这些特殊位置往往具有更重要的信息。频谱在去噪之后从低频信号中检测到，也可能被丢失，因为一些故障特征信号被过滤掉，也可能是被漏检。基于磁存储器信号的奇点理论基础，从检测低频和高频信号来实现应力集中，这是从时域和频域对磁记忆信号的奇异传播特性来检测，确定应力区域的位置和其特性。

3 金属磁记忆检测技术在工程实践中的应用

热处理的目的是消除焊接残余应力并提高接头的性能。金属磁记忆检测技术是确定设备的应力分布，然后在应力分布图分析计算得出应力极大值点，确定该区域。所以，检测过后的对接焊焊缝应力明显降低，对热处理前后的检测结果进行比较，得到准确详尽的数据资料，可以对整个工艺过程优化和评价。数据表明，亚稳态的奥氏体不锈钢经过强烈的塑性变形之后，晶相发生变化，产生的马氏体具有磁效应。这使得金属磁记忆检测方法得以在不锈钢结构上应用。

3.1 金属磁记忆检测技术在碳钢结构上的应用

焊接是制造工件的重要的工艺过程，但是在焊接过程中产生的高温，造成了区域温度分布不均进而造成材料的热胀冷缩不均匀，焊接残余应力无法全部被释放出来。由于焊接残余应力的影响，加速了材料的疲劳损伤，导致材料产生脆性断裂，加速材料的磨损，诱导材料的腐蚀产生蠕变等许多不良现象。消除焊接的残余应力成为提高焊接质量的关键因素，现在普遍的采用热处理的方式消除焊接的残余应力，在高温的条件下实现焊接残余应力的释放，而且热处理还能较好的提高焊接接头的机械性能。大型设备的装配大都是在现场进行装配，因而限制了热处理的应用。通过金属磁记忆检测技术对现场装配过程的焊接残余应力检测，随时调节过程中的工艺参数，因此能达到较高的施工质量，最终工程的质量与现场的诸多的不确定因素相关，影响对特种设备的安全风险的评估。

3.2 金属磁记忆技术在不锈钢结构上的应用

金属磁记忆检测技术是通过检测铁磁部件表面的漏磁场强度来确定工件的应力集中或潜在危险区域。生产特种设备尤其是耐腐蚀性容器和压力容器的材料大都是不锈钢，不锈钢材料不是铁磁材料。最新的研究表明，亚稳态的奥氏体不锈钢经过剧烈塑性变形，晶像产生位错,位错堆将发展成马氏体结构的微团簇。马氏体具有强烈的磁效应,基于此在不锈钢焊缝的检测中应用金属磁记忆检测技术是可行的。

4 结语

金属磁记忆检测技术可以快速地对铁磁部件的应力集中位置进行检测，准确有效地检测焊缝宏观缺陷，异常信号检测范围基本上覆盖了传统的检测方法。金属磁记忆检测技术自问世以来，以其可靠性和稳定性受到工程人士和专家学者的青睐，但是并非所有的现象都能找到有力的理论支持，需要专家学者进一步的研究发展金属磁记忆理论。金属磁记忆检测技术需要进一步讨论和研究。虽然本文提出了金属磁记忆检测技术的基本内容，但仍有许多问题需要进一步研究，需要在实践中进行测试。

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