基于金屬磁特性焊縫及金屬結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

NDTofweldand

metalstructuralstatebasedonmagneticcharacteristicmeasurementHennadiiBezliudko,RomanSolomakhaSpecialScientificEngineeringcompany,Kharkov,Ukraine;JackZhaoBeijingConstantTechnologyInc.,Beijing,China北京康坦科技有限公司基于金屬磁特性的焊縫及金屬結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)WheremagneticNDTcanbeused磁性無(wú)損診斷評(píng)估的應(yīng)用MagneticNDT矯頑力無(wú)損診斷評(píng)估FornewsteelworkNDTinmetallurgyandengineeringindustryIn-serviceinspectionofmetalfatigueandstress-strainstate金屬疲勞和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)在役檢測(cè)診斷評(píng)估InlocalareasforevaluationtheinfluenceofmaintenancefactorsForoverallstateevaluationofmetalconstructions,steelworksandparts123冶金工業(yè)設(shè)備制造工程在線無(wú)損診斷評(píng)估在役設(shè)備局部維護(hù)安全評(píng)估壓力容器管道焊縫、金屬構(gòu)件及零部件的狀態(tài)評(píng)估2Thesensetivityofmageticpropertiestomicrostructuralchangesinthematerial

材料結(jié)構(gòu)敏感性------磁滯特性參數(shù)

眾多研究表明：材料的磁滯特征與材料的微觀結(jié)構(gòu)變化相互對(duì)應(yīng)，利用材料的磁滯特征對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)連續(xù)降級(jí)現(xiàn)象無(wú)損評(píng)估的技術(shù)是可行性。由于材料降級(jí)過(guò)程同時(shí)改變材料微觀結(jié)構(gòu)特征，因此材料降級(jí)過(guò)程可以被材料的磁滯行為所反應(yīng)。材料微觀結(jié)構(gòu)特征與磁化過(guò)程兩者之間關(guān)系的基本原理：在磁化過(guò)程中，磁疇壁的移動(dòng)和磁疇結(jié)構(gòu)受微觀結(jié)構(gòu)特征的影響：例如：一個(gè)高晶體缺陷密度將高度阻滯磁疇壁的運(yùn)動(dòng)。相反，材料的磁滯回線形狀的變化反應(yīng)了材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征的變化。因此，我們可以用一種無(wú)損的方式，通過(guò)刻畫(huà)描述和評(píng)估材料的磁滯行為，來(lái)識(shí)別材料的微觀結(jié)構(gòu)變化和監(jiān)測(cè)材料機(jī)械性能的降級(jí)。材料的磁滯行為鐵磁性材料磁滯回線不同時(shí)期磁疇壁的運(yùn)動(dòng)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力影響磁滯回線形狀材料微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料磁滯回線特征參數(shù)的影響材料所遭受應(yīng)力對(duì)材料磁滯回線特征參數(shù)的影響微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力影響縱向磁致伸縮材料微觀組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力對(duì)材料縱向磁致伸縮的影響

磁滯回線的特征參數(shù)主要包括：剩磁Br,矯頑力Hc,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,最大磁導(dǎo)率μmax,初始微分非磁滯磁導(dǎo)率μan，磁滯損耗Wh。其中以矯頑力Hc穩(wěn)定性最好。磁滯特征參數(shù)無(wú)損評(píng)估新技術(shù)基于鐵磁性材料的磁滯特征與微觀結(jié)構(gòu)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，矯頑力測(cè)量技術(shù)被用于金屬材料機(jī)械性能、疲勞狀態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)評(píng)估。Magnetichysteresisloopofmetalsamplefromferromagneticmaterial(carbonsteel,iron,etc.)InformationmagneticcharacteristicsusedforNDT.用于無(wú)損檢測(cè)評(píng)估的金屬磁特性碳鋼試樣的磁滯回線金屬失效前，不同的材料，矯頑力值可能增大2-4倍。8Magnetichysteresisloopchangesintheprocessoffatiguechangesinthematerial.(Coercivityincreases)鐵磁性材料疲勞變化過(guò)程中磁滯回線的變化（矯頑力值增大）材料破損前的狀態(tài)初始狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)9EfficiencyofthemetalstatecoercivityNDT.Coercimeteryrepresentthemetalstateasaresultofjointin-servicefactors,reallytakingplaceintheconstruction:(damagestate)金屬矯頑力狀態(tài)評(píng)估功效矯頑力測(cè)量代表了鐵磁性金屬在綜合操作因子作用下的疲勞狀態(tài)材料矯頑力與力學(xué)性能加載圖表11Typicaldiagramofloadingbymeasurementsofmagneticcharacteristic–coerciveforceНс.金屬磁特性----矯頑力測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)加載圖表操作載荷下矯頑力值從初始值Нс0

到最終斷裂值Нсв,將增大2-4倍;這樣2-4倍的增量允許采用矯頑力來(lái)評(píng)估金屬的疲勞狀態(tài).這種方法極為有效.通過(guò)測(cè)量當(dāng)前矯頑力值Hc與初始狀態(tài)與斷裂前數(shù)值之差額，預(yù)測(cè)工件的已服役壽命和殘余壽命。HcmaxHcmin12HcmaxHcmin碳鋼在低周疲勞模式中不同循環(huán)應(yīng)力下矯頑力---循環(huán)數(shù)（壽命）圖表Increaseofthecoercivityvalueinaprocessofmicrodamagesaccumulationinthemetal.

鐵磁性金屬材料內(nèi)部微觀損傷累積過(guò)程中矯頑力的增長(zhǎng)HcmaxHcmin14Allmajormetalfailuremechanismscanbetestedbythecoercivitymeasurements

矯頑力測(cè)量可檢測(cè)評(píng)估鐵磁性金屬所有主要的失效機(jī)理HcmaxHcmin

材料的交貨狀態(tài)（成分和工藝確定）確定后，HcB值不變，為材料的固有性質(zhì)。無(wú)論為何種失效（例如無(wú)論是通過(guò)拉伸還是通過(guò)低周疲勞或高周疲勞），矯頑力增加的速率可能不一樣，但失效前的HcB值是一致的15Magneticandmechanicalpropertiesofsheets5..20mmthick,structuralsteel.5-20毫米厚鋼板的磁性和機(jī)械性能對(duì)比表Table16MA多參數(shù)磁性分析設(shè)備低碳鋼的磁滯回線特征參數(shù)高碳鋼的磁滯回線特征參數(shù)同時(shí)測(cè)量多組磁滯回線特征參數(shù)：矯頑力、剩磁、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁導(dǎo)率、磁滯損耗等多組磁性參數(shù)來(lái)分析評(píng)估材料的機(jī)械性能降級(jí)。

矯頑力測(cè)量設(shè)備便攜式矯頑力設(shè)備：小巧緊湊，重量?jī)H2-3公斤；操作簡(jiǎn)單：采集數(shù)據(jù)僅僅8秒鐘；無(wú)需耦合劑、無(wú)需清理工件表面、通過(guò)油漆層測(cè)量數(shù)據(jù)，最大提離6毫米。手持式計(jì)算機(jī)與矯頑力主機(jī)通過(guò)藍(lán)牙連接;軟件能立即儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果并顯示給操作人員:數(shù)據(jù)圖表、彩色分布、直方圖平均值、離散值手持式計(jì)算機(jī)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器用于分析和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù).矯頑力測(cè)量設(shè)備操作簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)采集僅僅需要8秒鐘:

焊縫及其兩側(cè)熱影響區(qū)每個(gè)鐘表時(shí)針點(diǎn)的矯頑力值被測(cè)量,獲得的圖表如左圖.管線焊縫的測(cè)量М–平均值D–

離散值矯頑力測(cè)量表征方式直方圖

焊縫區(qū)域矯頑力值的分布可以采用如圖彩色圖表很好地表征出來(lái),對(duì)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)十分方便;色彩越鮮艷的區(qū)域,金屬疲勞狀態(tài)就越嚴(yán)重;采用上表中矯頑力的平均值和離散值進(jìn)行焊縫疲勞狀態(tài)近似地分析,采用右圖中矯頑力值的直方圖來(lái)評(píng)估焊縫疲勞變化的動(dòng)態(tài)累積.矯頑力材料從服役開(kāi)始到結(jié)束柱狀圖的變化

直方圖可以清楚的看出材料整體的一個(gè)疲勞狀態(tài)（對(duì)于新材料，矯頑力一般都分布在Hc0附近，而對(duì)于即將失效的材料，矯頑力一般都分布在HcB附近。）金屬常常處在極度疲勞狀態(tài),但卻沒(méi)有宏觀的疲勞裂紋.矯頑力測(cè)量可以很好地監(jiān)控金屬的疲勞狀態(tài),允許進(jìn)入金屬疲勞診斷實(shí)踐:從搜尋宏觀疲勞缺陷到給出預(yù)防措施。M值增長(zhǎng)2~3倍,D值增長(zhǎng)3~5倍.

彩色分布圖，可以明顯的看到材料降級(jí)程度最大的位置。如左圖所示：一個(gè)新焊縫的初始狀態(tài)（圖3a）和同樣的焊縫經(jīng)過(guò)10年服役后兩種可能的狀態(tài)，圖3b和c。顯然3a和3b不需要缺陷檢測(cè)。3c必須進(jìn)行檢測(cè)，但只有1和2區(qū)域需要（圖3c），該區(qū)域宏觀缺陷已經(jīng)出現(xiàn)，需要注意這里并進(jìn)一步監(jiān)測(cè)實(shí)際對(duì)象這一部分的矯頑力監(jiān)測(cè)結(jié)果?？焖賿卟椴缓细窈缚p，如圖是一個(gè)核電站設(shè)施上的七個(gè)新焊縫的矯頑力測(cè)量評(píng)估，其中第1和第4個(gè)焊縫存在明顯缺陷，而第7個(gè)焊縫為合格產(chǎn)品。核電站設(shè)施新焊縫矯頑力質(zhì)量評(píng)估Beforeheattreatmentoftheweldedjoint焊縫熱處理前矯頑力測(cè)量數(shù)據(jù)Thereisanopportunityofquantitativeassessmentofheattreatmentqualitybythedegreeofhomogeneityreachedoftheownweldmetalaswellascomparedtoitsbasicmetal.Afterheattreatmentoftheweldedjoint焊縫熱處理后矯頑力測(cè)量數(shù)據(jù)Coercimeteringforqualitycontrolofheattreatment矯頑力在熱處理質(zhì)量控制上的應(yīng)用通過(guò)測(cè)量焊縫修補(bǔ)區(qū)域與正常區(qū)域的矯頑力數(shù)據(jù),獲知該區(qū)域微觀組織的非均一程度,即能對(duì)焊縫修補(bǔ)區(qū)域熱處理質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)估.24碳鋼焊縫服役期間的疲勞降級(jí)基體基體HAZHAZ焊縫初始狀態(tài)失效前狀態(tài)初始狀態(tài)焊縫的矯頑力最高，熱影響區(qū)的最低；服役過(guò)程中，焊縫的矯頑力變化不大，而熱影響區(qū)的矯頑力急劇增加，并超過(guò)了焊縫。紅色虛線表征理想焊縫。Petrochemicalrefinerypressurevesselregenerates再生器CircularweldedjointsLevelLevelofcircularweld11level,up12level,down平均值最大值26Fatiguestateofthebasemetalandweldedjoints容器焊縫及基體疲勞狀態(tài)Нсmin=2,4Нсmax=6,5Нс=4,7СКО=0,7NumberofpointsforНсmeasurements–about1500.Hc6,52,41500個(gè)點(diǎn)矯頑力測(cè)量數(shù)據(jù).27Cowperdomefatiguestatecomparisonbycoercivitymeasurementdata

熱風(fēng)爐穹頂矯頑力疲勞狀態(tài)評(píng)估M=4,40

D=1,61M=4,23

D=1,31M=3,45

D=1,01Cowper№1Cowper№2Cowper№4發(fā)生爆炸28HydroElectricPowerCirclePlatesmeasurements水電站水道圓盤測(cè)量新圓盤使用12年CoercivitymeteringresultsoftwocircleplatesofpenstockinHydroPowerPlant水電站上水道圓盤矯頑力測(cè)量結(jié)果Circleplateafter12yearsinoperationNumberomeasurement168使用12年測(cè)試了168個(gè)數(shù)據(jù)NewCircleplateNumberofmeasurement108新圓板測(cè)試了108個(gè)數(shù)據(jù)CoercivitymeteringresultsoftwocircleplatesofpenstockinHydroPowerPlantStatisticalanalysis兩個(gè)圓盤的矯頑力測(cè)量的統(tǒng)計(jì)分析Averegecoercivityvaluediffersforabout5%.Thus,for12yearsofoperationthe

sickleplatemetalbecomeworsetothislevel(5%).Thespeedofaccumulationoffatiguedegradationwas5%/12≈0,5%peryear.平均矯頑力值變化了5%。使用12年的圓板金屬降級(jí)了5%。所以，疲勞累積降級(jí)的速度約為每年下降0.5%CoercimeterMultiplexerProbesManualtestingAutomaticmonitoringMovingrobotFixedMobileNOSCRAPINGandNOCONTACTFLUIDREQUIREDCoercimeteringmonitoringsystemofmetalfatiguestate32國(guó)內(nèi)案例目前我們研究的矯頑力測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

1.大型鋼結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)磁性無(wú)損評(píng)估：包括起重機(jī)械、高壓輸電鐵塔、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、海洋平臺(tái)、船舶制造、游樂(lè)設(shè)施、鐵路鋼軌及火車輪對(duì)等等。這些工程材料主要以疲勞失效為主。對(duì)每種鋼結(jié)構(gòu)常用材料進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集Hc0、HcT、HcB及矯頑力與疲勞壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。然后對(duì)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。（目前正在開(kāi)展與交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院橋梁技術(shù)研究中心合作橋梁鋼結(jié)構(gòu)（Q345）的疲勞狀態(tài)磁性無(wú)損評(píng)估技術(shù)的課題。此外，目前正與北京科正平機(jī)電設(shè)備檢驗(yàn)所合作磁性無(wú)損評(píng)估起重機(jī)械（以Q235為主）安全狀態(tài)方面的課題。

對(duì)于母材試樣，隨著載荷的增加，矯頑力幾乎是逐漸增大的；對(duì)于含焊縫的試樣，熱影響區(qū)和焊縫都有一個(gè)先下降后上升的過(guò)程，且最后熱影響區(qū)的矯頑力幾乎與焊縫持平。此外，三者的矯頑力達(dá)到8.0后均快速增大并斷裂，由于速度太快，而步進(jìn)值設(shè)的較大，所以兩個(gè)試樣均未采集到斷裂前的矯頑力值。

2.乙烯裂解爐爐管滲碳損傷的磁性無(wú)損評(píng)估：主要材質(zhì)：Cr25-Ni35和Cr35-Ni45。采集一系列服役不同時(shí)間的爐管，測(cè)量其滲碳層厚度和矯頑力值，構(gòu)建滲碳層厚度與矯頑力的關(guān)系曲線，從而評(píng)估乙烯裂解爐爐管的滲碳損傷程度及預(yù)測(cè)剩余壽命。目前正與中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院合作相關(guān)課題。該課題采取了兩種方案，一是上面提到的采集一系列服役不同時(shí)間的爐管，二是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室滲碳模擬，得到不同滲碳層厚度的爐管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲碳層厚度與矯頑力值具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系163.爐管滲碳層厚度——矯頑力數(shù)值擬合曲線

當(dāng)爐管管壁滲碳層厚度在1mm以內(nèi)時(shí)，矯頑力與滲碳層厚度服從一元二次方程：y=***********

3.高壓管道應(yīng)變時(shí)效磁性無(wú)損評(píng)估：材質(zhì)為20（G）。技術(shù)路線：分別研究了熱軋態(tài)、正火態(tài)、不完全退火態(tài)三種狀態(tài)下20（G）材料的磁滯參數(shù)（矯頑力、剩磁、磁滯損耗及最大微分磁導(dǎo)率）與應(yīng)變時(shí)效的關(guān)系。每種狀態(tài)下的材料分別預(yù)設(shè)0、2.5%、5%、10%四種變形量，采集時(shí)效處理前后的磁滯參數(shù)，并進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，從而得到構(gòu)建20（G）時(shí)效脆化程度與各磁滯參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前正與山東省特檢院合作該項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)變時(shí)效脆化與矯頑力、剩磁等磁滯參數(shù)具有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4.焊縫及熱處理質(zhì)量評(píng)估：采集焊接材料的Hc0、HcT、HcB及合格焊縫的矯頑力值，即可批量檢測(cè)新焊縫，對(duì)于矯頑力值明顯高出安全維護(hù)狀態(tài)的焊縫要進(jìn)行額外審查，這樣便可快速掃查出不合格的焊縫，對(duì)存在焊接殘余應(yīng)力的焊縫可以進(jìn)行焊后熱處理，并用矯頑力設(shè)備進(jìn)行復(fù)查，從而可以評(píng)估焊后熱處理的效果。目前正與徐州重型機(jī)械有限公司合作WELDOX960鋼焊接殘余應(yīng)力的磁性無(wú)損評(píng)估項(xiàng)目。未打磨打磨后

5.電站鍋爐高溫部件蠕變累積損傷磁性無(wú)損評(píng)估：主要材質(zhì)：P91、P92高鉻合金鋼。試驗(yàn)研究表明P92鋼在不同蠕變階段，其微觀結(jié)構(gòu)特征變化和磁性參數(shù)變化具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系：蠕變的第一階段，矯頑力和剩磁數(shù)值都增大；蠕變的第二階段，矯頑力和剩磁數(shù)值都下降；蠕變的第三階段，矯頑力數(shù)值增大，而剩磁數(shù)值下降。根據(jù)上述規(guī)律，通過(guò)測(cè)量材料當(dāng)前狀態(tài)下的磁滯參數(shù)的變化，即可判斷材料目前的蠕變損傷程度