李光海,刘时风 沈功田
(清华大学机械工程系,北京 100084) (中国特种设备检测研究中心,北京 100013)
摘 要:金属磁记忆检测是当前无损检测领域的一种新技术,可发现压力容器的应力集中区域,实
现压力容器损伤的早期诊断.介绍了磁记忆检测的原理,标准现状,仪器要求及其在压力容器制造,
检验过程中的应用,并对压力容器磁记忆检测存在的问题进行了探讨.
关键词: 压力容器;磁记忆检测; 应力集中
压力容器由于封头和接管等结构不连续性,焊缝内残余应力,容器的支撑,受压元件的加工制
作残余应力,材料内部结构不连续性等原因,不可避免地存在应力集中,这些应力集中部位在介质,温
度和压力的共同作用下容易产生应力腐蚀开裂,疲劳损伤和诱发裂纹,在高温设备上还容易产生蠕变
损伤.因此,找出压力容器上应力集中部位,确定应力集中的大小,分析其对容器安全性能的影响,成为
压力容器无损检测中应关注的问题.常规的无损检测方法(如射线,超声,磁粉和渗透检测等) 只能
检测出一定尺寸的宏观缺陷,很难发现微观缺陷.而金属磁记忆检测技术能检出可能诱发损伤或破坏
的应力集中部位,为压力容器的早期诊断提供了依据.
1 概述
1. 1 检测原理
铁磁性材料制造的压力容器在运行时受介质压力的作用,材料内部磁畴的取向会发生变化,并在
地磁环境中表现为应力集中部位的局部磁场异常,形成"漏磁场",并在工作载荷去除后仍然保留且与
最大作用应力有关,这就是磁记忆检测技术的物理原理.磁记忆检测方法是通过测量铁磁体的漏磁场
法向分量Hp 来进行应力集中的检测.研究表明[1 ] ,检测中铁磁体表面Hp = 0 的线与应力集中位置
重合,并采用通过应力集中线的磁场法向分量Hp 梯度对应力集中水平进行定量评估.压力容器磁记
忆检测时,通常采用磁记忆检测仪器对压力容器焊缝进行快速扫查,以发现焊缝上存在的应力峰值部
位,然后对这些部位进行表面磁粉检测,内部超声检测,硬度测试或金相分析,以发现可能存在的表面
缺陷,内部缺陷或材料微观损伤.
1. 2 国内外应用研究现状
由于金属磁记忆检测技术是俄罗斯学者首先提出的,因此该方法主要在俄罗斯和东欧一些国家
得到推广和应用,西方国家无损检测界对这项技术的研究尚不够深入.对于管件特别是锅炉管道的检
测是金属磁记忆方法应用较为成功的领域之一,研究人员第一次提出了被测管段上漏磁场Hp 与机械
应力变化之间的关系.利用该项技术,对拉伸试验机上的铁磁性试件的拉伸过程进行了检测,准确预报
了将要拉断的位置.利用磁记忆检测技术对涡轮发动机转子叶片的检测,显示了该项技术在重要工业
设备无损评价中的巨大潜力.在金属焊缝的质量评价中,磁记忆检测方法也得到了成功的应用[2 ] .
磁记忆检测技术被介绍到我国只有几年历史.但磁记忆检测技术在我国无损检测界引起了巨大
兴趣和反响, 短短几年内,已有论着,文章和检测仪器陆续出现.在磁记忆检测技术应用研究方面,
耿荣生,任吉林,沈功田和戴光等人在飞机,电力,压力容器和管件等领域对磁记忆检测方法的应
用进行了有益的尝试.清华大学在磁记忆的产生机理以及研究应用方面展开了深入的研究.北京理
工大学在北京市自然科学基金资助下,和俄罗斯动力诊断公司及北京科技大学的研究人员开展合作,
探讨磁记忆检测技术在应力腐蚀领域的应用[3～10 ] .
2 检测标准现状
金属磁记忆检测技术是20 世纪90 年代后期发展起来的一种检测材料应力集中和疲劳损伤的
新型无损检测方法,并已得到了国际焊接学会认可.在俄罗斯,乌克兰,保加利亚和波兰等国已制订
了相应的检测方法和仪器标准.印度和澳大利亚等国正在大力推广该技术.2003 年俄罗斯采用了
两个有关金属磁记忆的国家标准和一个协会标准,如ГОСТР52012 - 2003《无损检测,金属磁记忆
方法,名词定义和代表符号》,ГОСТР52005 —2003《无损检测,金属磁记忆方法,通用规
范》,СТРНТСО000 - 04《设备和结构的焊接,金属磁记忆方法(金属磁记忆2检测) 》.俄罗斯焊接
科技工作者协会标准СТРНТСО000 -04 已由国际焊接研究所建议作为ISO 国际标准.近几年来,
我国也已经开始对这项技术进行研究和应用,并研制出了相应的检测仪器,但对压力容器检测还还没
有形成相应的国家或行业标准.
3磁记忆检测仪器
自2000 年国内生产出了第一台磁记忆检测仪器[4 ] ,至今已经先后有高校和企业生产出了性能
更稳定的便携式仪器.磁记忆检测仪一般由传感器,主机及其它辅助设备组成,主要性能要求如下:
(1) 多通道测量,一般要求四通道以上.考虑到压力容器的焊缝宽度,需要扫查的面积比较大,采用
多通道技术有利于快速扫查出缺陷.
(2) 高灵敏度,小体积和长寿命的磁传感器.微磁状态下检测的关键部件是传感器,目前常用的
传感器是磁阻元件和霍尔元件等.传感器的检测灵敏度可>4. 0 ×10 - 9 T.
(3) 相应的辅助电路.一般要求仪器有温度补偿,地磁补偿和光电编码电路.温度补偿电路用
于补偿温度的变化对测量精度的影响;地磁补偿电路用于补偿测量由于和地磁场方向发生偏差而产
生的误差;光电编码电路则是测量扫查位移和控制数据采集,使扫查速度和采集数据量成正比例.
(4) 具备存储,分析等功能.能实时分析和存储现场采集的数据,并能实现事后的数据回放功能.
采集存储的数据能通过通讯端口上传到计算机进行保存和进一步的数据处理.
4 压力容器检测应用
压力容器及其附属管道的磁记忆检测可分为新制造和在用压力容器的检测,在用压力容器检测
还可以分为在线(外部检验) 和停机检测(内外部检验) .
压力容器制造,安装和产品验收中,磁记忆检测的主要作用是控制压力容器焊缝的残余应力和主
要受压元件有无过大的应力集中.其检测范围通常包括对接焊缝,角焊缝,T 形接头焊缝的残余应
力,冷作受压部件,螺栓紧固件,法兰,锻件,冷成型封头及容器结构几何不连续处是否存在过大的
应力集中.
压力容器在用磁记忆检测主要用于压力容器的在役维修,定期检验及在线监护监测等方面,目的
是对设备的整体应力集中状况进行快速扫查,对可能存在的损坏进行早期诊断,对诊断后可能存在问
题的部位重点复查,以保障使用安全.压力容器在运行过程中受介质,压力和温度等因素的影响,易在
应力集中较严重的部位产生应力腐蚀开裂和疲劳开裂等损坏.目前《在用压力容器检验规程》中对
这些缺陷所使用的检测方法常常需要进行表面打磨,去除表面的油漆,喷涂等防腐层和氧化物.大量
的打磨一方面增加了压力容器停产检验的时间,费用和劳动强度,另一方面也减小了压力容器焊缝部
位壳体的壁厚,破坏了容器表面抗腐蚀的保护膜.由于磁记忆检测对焊缝表面的清洁度要求不高,可以
在保持金属的原有状态下检测,而且传感器和被测表面间无需耦合剂,传感器可以离开金属表面.另外,
磁记忆检测仪器一般都自带电源,所以在现场检测时无需使用火和电.这样新制和在用压力容器的检
测方法和步骤基本相同,如果只是对外表面进行磁记忆扫查,还可以进行在线检测.在线磁记忆检测可
以从总体上了解压力容器的状态,预测应力发展情况,为合理判断压力容器的安全等级提供依据,并可
提前作好检验计划.另外,在应力集中部位无应力释放的情况下,有载时磁记忆信号的幅度和梯度比无
载时的高,因此在线进行磁记忆检测更好[6 ] .
在压力容器实际检测过程中,对磁记忆检测技术的实施通常采用以下方案[11 ] :
(1) 对所有需要无损探伤的部位采用磁记忆仪器进行快速扫查,对其诊断出的高应力部位,编制
探伤工艺时,作为常规无损检验的重点.用超声波,射线,磁粉探伤,硬度及现场金相分析重点复查
磁记忆诊断出的高应力部位,以确保重要部位不漏检.
(2) 对重点工程和重要部位的磁记忆诊断结果,可存档作为定期抽查的参照依据.对在役设备焊
缝高应力部位进行磁记忆诊断的监控, 确定应力扩展与否, 是一种十分有效的检验手段.可代替常规
无损探伤方法或作为在役无损检测的一种补充.
5 压力容器磁记忆检测工艺
5. 1 压力容器焊缝的检测
焊接残余应力与开裂有直接关系,焊接残余应力不仅直接影响到裂纹的扩展, 而且加速了脆性破
坏.金属磁记忆方法能快速普查焊缝,查找焊缝的异常应力2应变区,从而大大减轻无损检测的工作
量.金属磁记忆方法能用漏磁场参数对焊缝质量进行定性和综合评估,用漏磁场梯度和应力集中强度
系数来查找焊缝缺陷[12 ] .
采用磁记忆检测方法可以实施对焊缝状态的早期诊断.根据磁记忆检测原理可知,在焊接接头中
其它条件相同的情况下,焊缝中会有残余磁化现象产生,其残余磁化分布的方向和性质完全取决于焊
接完成后金属冷却时形成的残余应力和变形的方向和分布情况,因此,在焊缝的应力集中部位或在金
属组织最不均匀处和有焊接工艺缺陷的地方,漏磁场的法向分量Hp 具有突跃性变化,即漏磁场Hp
改变符号并具有零值,漏磁场法向分量变换线( Hp = 0)相当于残余应力和变形集中线.这样,通过找出
在焊接过程中形成的漏磁场,就可以完成对焊缝实际状态的整体鉴定,同时确定每道焊缝中残余应力
和变形以及焊接缺陷的分布[4 ] .
图1 液氢储罐一环焊缝Hp 场的分布情况
对压力容器焊缝磁记忆检测的步骤如下:
(1) 仪器校准 先对仪器进行归一化处理,以消除地磁等外界磁场对检测结果的影响.
(2) 扫查检测 由相应资格的检测人员沿每一道焊缝进行检测,当检测到漏磁场的法向有过零值
点,且存在较大的漏磁场梯度时,在该处作好标记.
(3) 缺陷复验由相应资格的无损检测人员用射线,超声或磁粉检测的方法对作好标记的焊接接
头部位进行复查,记录检测结果.必要时进行硬度检查或金相组织分析.
图1 是文献[1 ]给出的液氢储罐的一条环焊缝的磁记忆检测结果,显示检测部位Hp 场的分布情
况,且标出最大应力集中区.其特点是每个通道Hp场符号交替和跳跃式变换,有漏磁场梯度(d H/ d x )
最大值.检测结论是建议在测得的应力集中区作好标记并采用超声检测和金相分析的方法复验.
5. 2 压力容器接管的检测
使用磁记忆方法对接管进行检测时,仪器的准备和校准与焊缝检测相同.只是在第二步扫查检测
时通常作如下处理:
先将探头沿被测接管的母线(轴线) 方向进行快速扫查,然后沿着最便于扫查的方位来测量漏磁
场Hp 值,如果是弯管则要求沿最大减薄处的母线进行测量.在对接管进行检验时,当在被测管道上发
现某处Hp 值变成相反值时,找到指示值为零的位置作好标记.为进一步评估标记处接管横截面的应
力状态,再沿管子横截面圆周测量Hp 值.当发现某处Hp 值出现两点及两点以上跃变或变成相反值
时,将这些部位作出标记.这些部位应用磁粉检测的方法进行复验.研究表明,当沿弯管截面圆周方向
某一区域内Hp 值呈现由正值到负值的重复过零跃变时,允许存在的Hp 过零值点之间的最小间隔距
离为1～2 倍管道壁厚.这间隔是弯管在扭矩和弯矩的共同作用下, 使弯管截面失稳的极限尺寸[4 ] .
图2 是文献[1 ]中给出的一个管道磁记忆检测的结果.图2a 是沿母线Hp 场的分布情况,同时标
出了最大应力集中区,其特点是场符号变换且有最大梯度d H/ d x 值.图2b 是Hp 场在最大应力集
中区沿横截面的分布.对标记的最大应力集中区进行金相组织分析发现金属内表面层已有损伤.
(a) Hp 场沿拉伸母线的分布
(b) 最大应力集中区Hp 场沿横截面的分布
图2 管道磁记忆检测的结果
5. 3 紧固螺栓的检测
在炼化和化肥等行业,很多压力容器都处于高温高压工况下,其紧固螺栓也常在高温高应力状态
下运行.高压螺栓破坏的事故也时有发生,有些甚至是检验时没有发现宏观裂纹的脆性断裂,给安全生
产带来很大的事故隐患.其实在螺栓断裂前,虽然磁粉,渗透等方法不能检出缺陷,但已经存在了很大
的应力集中或微观裂纹.磁记忆方法可以检测出螺栓最大应力集中部位,及时处理应力集中比较严重
的紧固螺栓,可以预防脆性断裂等灾难性事故的发生.
紧固螺栓的扫查检测通常如下进行[4 ,13 ] :
首先,沿螺栓表面上的母线扫查,若发现螺栓中存在Hp 场的符号向相反方向变化,找到一些零值
点,随即对螺栓表面上Hp = 0 的点作好标志.如果发现螺栓表面存在一,二个Hp = 0 的点,必须对
螺栓进一步检验.
其次,进一步检验沿着螺栓的横截面圆周展开,横截面周向检测时,必须选择三个以上的剖面测量
剩余磁化强度,传感器沿着横截面圆周进行扫查,测出Hp = 0 的点,然后在这些点标志出螺栓的应力
集中线.当漏磁场Hp 梯度很大时,螺栓虽未发现可见超标缺陷但也不宜继续使用.
图3 是某双头螺栓螺纹部位Hp 分布情况.在以Hp 场符号多次交替变换为特征的最大应力集
中区且最大梯度(d H/ d x) 的部位有横向裂纹[1 ] .
图3 某设备上双头螺栓螺纹部位的磁记忆检测结果
6 问题与展望
(1) 制定国家或行业标准磁记忆检测是新发展的无损检测技术,国际上也只有为数不多的国家
制订了相应的国家和行业标准.我国在磁记忆检测技术应用方面还处于探索阶段,其检测的可靠性也
还处在验证过程中,标准中关于术语的定义,仪器的要求,检测的程序,结果的评价,报告的要求等
都需要结合我国应用实际和工程经验才能完成.
(2) 人员资格及培训 压力容器磁记忆检测人员的技术素质和业务水平对于保证检测结果的准
确性和可靠性十分重要,从事磁记忆检测的检验人员要求掌握一定的磁记忆检测知识,具有现场检测
经验,并掌握一定的压力容器知识.国家质量监督检验检疫部门归口管理,培训和考核对压力容器无
损检测质量控制,无损检测人员的规范管理和人员素质的提高十分有益.但目前磁记忆检测技术还
没有相应的培训教材和考核大纲.
(3) 机理和应用研究 为了在压力容器行业更好地应用磁记忆检测技术还需要进一步进行以下
几个问题的深入研究.首先,影响金属磁记忆现象物理机制的主次要因素有哪些;其次,应集中研究较
为深入的定性检测问题,即表征磁记忆现象的磁场分布和应力场的关系;最后,应力集中的定量检测问
题,即磁记忆信号幅度和梯度随应力场变化的数值对应关系[10 ]也应开始研究.
(4) 可靠性及其应用范围 当应力集中部位萌生出裂纹并有扩展行为时,应力集中部位的高应力
得到释放,从而会引起磁记忆信号的幅度和梯度下降,此时采用磁记忆检测技术就有可能漏检重要的
缺陷,因此若采用磁记忆信号的大小评价压力容器损伤程度还需要作进一步的研究[6 ] .另外,由于磁
记忆检测方法主要是扫查应力集中的部位和程度,如何标定检测仪器的灵敏度从而保证检测的可靠
性也是急需解决的问题.