直流磁探在特种设备检验的应用研究

赖晓龙

（福建省锅炉压力容器检验研究院龙岩分院，福建龙岩 364000）

0 引言

磁粉检测的物理基础：铁磁性材料和工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大小，这就是磁粉检测（Magnetic Particle Testing，MT）。改革开放以来，磁粉检测技术方兴未艾，随着检测技术的不断改进，磁粉检测是当前较为主流的无损检测方法之一，已经在许多行业中的铁磁性材料表面以及近表面缺陷无损检测中得到广泛的应用。

对于漏磁场的形成，主要是空气的磁导率明显比铁磁性材料磁导率弱，当某个存在裂纹且已经磁化的铁磁性部件上，可以表现出非常强的磁感应线，从而会导致某中的一部分磁感应线从裂纹中或缺陷下部绕过，最终导致磁感应线形成不断的压缩，但其部件中的压缩能力，具有一定的限制。因此，存在缺陷的部件中的磁感应线数目也会有所限制。在受到同性磁感应线相斥的影响，会导致许多磁感应线穿过裂纹，而另一部分磁感应线则会受到折射定律的作用，在其部件表面垂直地进入空气中去绕过缺陷又折回工件，最终形成漏磁场。通过这种方式所形成的漏磁场，其宽度远比缺陷实际宽度更大，甚至超出数十倍之多。因此，磁痕对缺陷宽度会产生放大，可以让肉眼不可见的缺陷转变成为可视磁痕使。磁粉检测的灵敏度主要在于漏磁场的大小，漏磁场越大，吸附磁粉的能力越强，显现的磁痕也越明显。

研究表明，由于缺陷所导致的漏磁场大小，并不会与其部件的磁化程度存在关系。通常情况，外加磁场强度必须要超过产生最大磁导率对应的磁场强度，从而可以让其磁导率降低，磁阻增加，漏磁场增大。如果铁磁性材料磁感应强度处于饱和值80%左右，其漏磁场会表现出快速增大的现象。

1 直流磁探的优劣点

在磁粉检测中，磁轭连续法是应用最广的方法之一，尤其是在特种设备检验检测当中，NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测—磁粉检测》进行了检测规定。近年来，随着便携式电磁轭技术的不断优化，便携式磁探机广泛应用于特种设备检验当中。这主要受益于便携式磁探具有以下优点：①非电接触；②改变磁轭方位，可发现任何方向的缺陷；③便携式磁轭可带到现场检测，灵活，方便；④可用于检测带漆层的工件（当漆层厚度允许时）；⑤检测灵敏度较高。

磁轭连续法由使用的电流不同分为交流电磁轭和直流电磁轭，两者具有如下优点和局限性见表1。

在特种设备检验中，使用便携式磁探机可以快捷地对铁磁性材料的表面和近表面缺陷进行检测。其中交流磁探因交流电的集肤效应，对表面缺陷检出率较高，是目前特种设备检验中应用最广的检测方法之一。而直流磁探由于其磁场脉动性小，对表面缺陷检测灵敏度低，在特种设备检验中应用较少。但直流磁探具有很大的渗透性，检测深度较深，适用于近表面缺陷的检测，这是交流磁探无法企及的，以下对直流磁探在特种设备检验的应用进行研究。

表1 交流电磁轭和直流电磁轭的优点和局限性

2 直流磁探在特种设备检验的应用研究目的和意义

通过交、直流电磁轭优劣点对比可以发现，直流磁探最大的优点在于检测深度较交流磁探深，可以发现交流磁探无法检测到的近表面内部缺陷，同时其局限性也较为显著，恒定磁场对检测对象要求较高，对表面缺陷检测灵敏度低。因此，如何针对直流磁探的优劣点，展开直流磁探在特种设备检验的应用研究，尝试摸索由直流磁探代替射线等方法对铁磁性薄壁特种设备进行快捷的内部缺陷检测，是课题的主要研究目的和意义。

3 直流磁探在特种设备检验的应用研究内容

3.1 研究工具

针对目前适应性最广的便携式直流磁轭机，采用湿式连续法检测，配充电电池，提升力满足NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测——磁粉检测》标准要求的至少应有177 N。

3.2 研究对象

厚度≤10 mm 的铁磁性薄壁特种设备。

3.3 研究方法

设计一组厚度（0.5～10）mm 的钢板试块，每隔0.5 mm 布置一块试块，通过试块研究直流磁探在钢板检测的表面灵敏度以及可检测深度。

3.4 研究前提

便携式直流磁探机仅考虑提升力满足NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测——磁粉检测》标准要求的至少应有177 N，不考虑电流对磁场强度的影响。磁轭间距也控制在NB/T 47013.4—2015 标准要求的（75～200）mm，必要时根据磁轭所能达到的最小间距进行试验。检测灵敏度应满足A1：30/100 型标准试片验证要求。

4 直流磁探在特种设备检验的应用研究的试验结果

4.1 磁轭间距对直流磁探的影响

根据电流特性知道，直流电流是恒定电流，其产生的磁场也是恒定磁场，磁场在磁轭之间均衡分布。当施加满足提升力要求的直流磁轭的磁场时，要想提高磁化强度，只有想办法把磁场压缩在受限空间内。显而易见，在长度方向上可以缩短磁轭之间的距离，在宽度方向上可以降低试件的厚度，以此压缩直流磁轭的磁场以提高检测灵敏度。

为满足NB/T 47013.4—2015 标准对磁轭间距的要求（75～200）mm，直流磁轭间距最小只有缩短到75 mm，以免影响磁痕显示。因此将在75 mm 磁轭间距下进行进一步研究和试验。

4.2 直流磁探在不同钢板厚度的表面灵敏度试验

钢板厚度直接影响直流磁轭磁场的分布和强度，因此在每块试块的表面中间布置A1：30/100 型标准试片，通过试片磁痕显示可以发现：钢板越薄，试片磁痕显示越明显。当钢板厚度超过6 mm 时，试片磁痕显示已基本模糊不可辩，因此便携式直流磁探机在满足提升力的情况下，能满足A1：30/100 型标准试片检测灵敏度的有效检测厚度最大为6 mm。

4.3 直流磁探在同一厚度钢板不同深度缺陷的检测能力

通过上述试验得出直流磁探在满足A1：30/100 型标准试片检测灵敏度的有效检测厚度最大为 6 mm 的结论，那么在≤6 mm 的同一厚度钢板，下面分析直流磁探对不同深度缺陷的检测能力的影响。把1 mm 到6 mm 之间的试块每隔0.5 mm 布置0.5 mm 直径的长条针孔缺陷，对每个试块进行磁场强度试验。通过试验，即使在最厚的6 mm 试块上最深的缺陷也可以显示出明显的磁痕。说明在满足A1：30/100 型标准试片检测灵敏度的前提下，钢板在6 mm 厚度范围内的缺陷都可以检测出来。同时也验证了直流磁探所施加的恒定磁场，在一定厚度范围内具备足够强度检测厚度范围内各个深度缺陷能力。

5 结束语

对于稳恒直流电磁轭，产生的磁场均衡布置于两个磁轭之间工件内部，不同于交流电磁场的集肤效应，直流磁探更有利于较深层缺陷的检测。在施加同样的磁通量时，工件厚度越大，磁通密度就越低。通过直流磁探在薄壁铁磁性试块的研究试验，可以得出：对于便携式直流磁探机，在满足提升力要求的前提下，最小磁轭间距75 mm，最大有效钢板厚度为6 mm；而在此基础上，便携式直流磁探机可以对该厚度范围内各个深度的缺陷具备有效的检测能力。但是，试验是在试块上面完成的，试块的理想工况是一般薄壁铁磁性特种设备不具备的，因此，当利用直流磁探进行薄壁铁磁性特种设备内部缺陷检测时，对表面粗糙度要有充分的准备。