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微磁检测技术在特种设备焊接中的应用

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2022/11/18

摘要:本文作者采用微磁检测新技术对承压设备焊接接头进行检测研究,结果表明,微磁检测技术对于这类近表面缺陷具有较高的检出率,是一种值得推广使用的检测新技术。
【关键词】
  • 承压设备 焊接接头 表面缺陷 微磁检测

1前言

承压类特种设备焊接接头的质量检测,一般采用NB/T47013《承压设备无损检测》中规定的射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测等5种方法,这5种方法各有优缺点。承压类特种设备的各种监察、检验规程也规定了相应的设备应采用何种检测方法、何种比例等,这是保障安全的最基本的要求。21世纪,随着计算机技术和人工智能飞速发展,传统的无损检测技术也得到了很大提升,无损检测方法也加入了很多新型计算机技术,特别是现代数字信号处理和信号模式识别技术的加入使现代无损检测技术飞速发展,不但检测的准确性大大提升,而且检测结果更加直观,甚至可以量化到缺陷的大小、深度位置。对比早期的无损检测,只能定性发现缺陷,现代无损检测在结合损伤力学的知识之后不但能发现缺陷,更能对构件的强度和使用寿命进行评估,这使得现在工件的安全性能得到大幅度保障。因此,对于开发出一种新型的焊缝无损检测的方法非常有必要,特别是在当代便携式移动设备的普及,让无损检测的发展方向发生了很大改变。即利用简单便捷的仪器实现对焊缝快速的检测。而现在简单常用的便携仪器都是手机,所以开发出一种新型基于安卓系统的焊缝检测系统非常有必要。目前,大部分的便携仪器都使用安卓系统,基于安卓系统的焊缝无损检测方法比较少,特别是基于弱磁技术的安卓系统焊缝检测,对比射线检的辐射性会导致工作量巨大,成本高昂。超声虽能检测出部分缺陷,对于表面难处理结构复杂细小的焊缝很难检测出来。磁粉检测由于检测的材料有所限制,所以磁粉检测适用范围相对较小。涡流检测由于要接受缺陷反馈电流,信号接收设备较大不太适合简单快速检测。基于上述原因,本文作者采用便携式微磁检测仪对承压类特种设备的焊接接头质量进行检测研究。

2微磁检测技术的优势

超声检测对于厚度较大的材料焊缝有非常好的效果,可以在短时间内精准地检测出焊缝大小、形状和所微磁检测技术在承压类特种设备焊接接头近表面缺陷检测中的运用喻德耀(江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院南昌检测分院,江西南昌330000)摘要:焊接接头是承压设备中最薄弱的环节,其质量的好坏由各种因素共同决定,容易产生各种不同类型的缺陷。常规的检测方法对于近表面不开口缺陷灵敏度较差,这类缺陷也是工程人员较为头疼的问题之一。本文作者采用微磁检测新技术对承压设备焊接接头进行检测研究,结果表明,微磁检测技术对于这类近表面缺陷具有较高的检出率,是一种值得推广使用的检测新技术。在位置。但对于体积较小、质地轻薄的新型材料,焊缝不能很好地进行检测;射线检测因为对焊缝结构要求很多,结构复杂的零件不能很好地被检测出来,并且不便于快速检测;涡流检测由于只能对一定厚度的焊接板进行检测,所以对于焊接薄板的焊缝检测方法还不完善,特别小型薄板材料的焊缝缺陷信号非常难以提取;磁粉检测由于只能磁化铁磁性材料,非铁磁性材料就不能利用磁粉检测对其进行检测。渗透检测在制造厂内对于大型工件、批量化生产的小工件进行集体检测具有较大的优势,但是,它对于探究缺陷的内部形状和深度却无能为力。基于此,通过微磁检测在其他工程检测领域的实践,其具有如下特点,能够运用于焊缝检测。(1)对检测面的光洁度要求不高,比如,检测面通常存在的铁锈、油污等杂质对检测结果影响不大,这非常适用在役承压设备的检测。(2)利用地磁磁化所形成的磁场进行检测,不需要专门磁化。(3)仪器设备小,携带方便。(4)操作简单,易于入门。

3检测原理

所有经过磁化后的物体都会形成磁场,当工件表面光滑工件内部连续没有缺陷时,磁通全部从工件上通过,但是,如果工件有缺陷会使得这部分磁导率发生变化磁阻增加,其表面磁场发生异常形成漏磁场。微磁检测正是通过对这种异常的磁场信息进行捕捉,而达到检测出缺陷的目的。当材料内部存在与磁场方向垂直的缺陷时,原来材料均匀统一的磁导率会发生变化,缺陷的磁导率往往较小,而其磁阻较大,此时,磁力线会先选择通过磁阻较小部分,当这部分磁力线饱和后,不能接受更多磁力线,这时磁力线会泄漏出材料表面。通过对泄漏出材料的这部分磁场信号的检测,就是微磁检测的基本原理。为了便于探究漏磁场的特性,可以采用将其分解为水平分量Bx和垂直分量By的方法,此时,微磁检测缺陷的磁感应强度就可以分为水平部分和垂直部分测量了。这样就方便了对信号数据的提取。弱磁检测的检测原理是因为工件在加工制造或服役产生多种缺陷,而这些缺陷的存在会导致该部分的材料的磁导率发生变化。为更形象地分析磁感应线的传播原理,此时,假设磁感应线产生了折射,折射面为工件表面。在理想状态下,工件表面材质匀质无杂质,磁场折射率是不变的,因此磁场强度相同。假设工件内部存在缺陷时,缺陷部分的磁导率和磁阻发生变化和材料其他部分不同,在缺陷位置磁场会形成“折射”,材料同一部分不同磁导率会对这种“折射”现象产生干扰,干扰后的磁力线会发生路径的偏折,进而其磁感应强度也产生突变,这为微磁检测方法检测出这类缺陷提供了天然条件。当工件中的磁通量穿过不同介质时,它的量是不发生改变的。但当两种介质的磁导率不同两介质中的磁感应强度不在相同,无论其磁导率差异是何种情况,缺陷位置的折射现象都会发生,对于高磁导率杂质,磁感应线不会被挤压出工件,而是可以“借用”杂质的传导作用继续在工件中传输过去;然而,对于低磁导率杂志,磁力线会被挤压出工件,而从缺陷的上面通过。我们要检测和分析缺陷,那我们只要对这部分信号进行分析就可以达到检测的目的。

4试验研究

在压力容器制造监督检验时,让该厂的熟练焊工焊接一块有人工缺陷的钢板对接焊接接头,材料为Q345R,长25cm,宽10cm,板厚5cm,对于缺陷的相应部位,在钢板的背面进行了相应标记。用微型检测仪对该焊板进行检测,结果如下:开始检测和结束检测时都会发生信号有别于正常情况波动,这是因为焊缝的端头会存在磁场聚磁效应。对工件进行扫查时,在工件开始和结束两端存在加速减速过程,这种速度也会导致磁场值异常,将这种由于端头引起的电磁场信号异常变化现象称为端头效应。读取仪器中的磁通量值我们也可以看出在上下标准线、最大值上差异比较明显。其原因是每次使用仪器测量一个部分缺陷时,系统把这次测量部分材料数据进行求平均值,通过平均值和这次数据最大值来计算上下标准线。对比第一次扫查结果和第二扫查结果可以看出虽然两次扫查都有同一缺陷出现,但标准线却不同其原因是系统计算上下标准线不是依靠材料性质来定的,它是根据每次扫查部分和扫查速度共同决定的,哪怕两次扫查扫查很多相部分、扫查到很多共同缺陷、扫查速度相同其上下标准线也必定不同。为了让缺陷信号更好识别,本次研究用到了一种叫基于磁场梯度的方法,根据上述理论分析,把磁场强度这一矢量分解成了水平分量和垂直分量。本次研究采用的探头检测的信号正是其中垂直于工件焊缝表面Z轴方向上的磁场强度。从的扫查结果可以看出,焊缝表面的磁场信号起伏幅度较大,与工件中其他位置的磁信号截然不同。对于这种起伏不定的矢量信号,在数学中常用梯度法进行处理,即对焊缝表面的磁场信号波动量进行放大,让波动量更直观的在检测人员的视觉感官中,磁场梯度可以表示为磁信号的微分。其中,B(x)表示检测中磁感应强度,x为检测路径,ΔB即为磁场强度沿着这一检测路径的梯度大小。当工件是完整工件(无缺陷)时,磁场梯度变化及其微小,可以近似于一个定值。假设工件中存在缺陷时,根据式(5)可以得出该处的值将发生幅度较大的变化,这种幅度与无缺陷处相比是明显的,此时,我们根据梯度变化特性就可以提取出工件中存在的缺陷。本次研究正是利用这一原理,对缺陷处信号进行处理。对于本系统缺陷判断是通过扫查的信号线有没有超过上下标准线来判断,每次采集完数据信号后系统后台都会分析出每次不同的标准线从而来进一步准确判断缺陷出现标准线是每次初始数据不同而计算出来的所以每次的标准线都够非常清晰看到3条焊缝的出现,出现的问题就是为什么3条焊缝缺陷在仪器上扫查时出现位置这么相近而在我们实验工件上标记的位置(图1右)相差又比较远。原因是因为扫查的速度不同,手动扫查由于不能很好地均匀控制扫查速度会发生这种现象。而用常规超声检测也验证了这些缺陷的参数信息。为了验证微磁检测技术的可靠性,我们在一块焊缝中认为的设置了三个缺陷,分别在距离工件的顶端5cm处、10cm处、15cm处。运用该技术进行扫查发在工件的顶端往下分别在4.9cm处、10.1cm处和14.8cm处出现异常信号。整个时间过程方便快捷,在2分钟内对整条焊缝进行了初扫和精扫,其结果可以看出,位置的最大误差为0.2mm,这在检测系统中是完全可以接受的。为了形成对比,我们采用超声波检测对此工件进行了检测,结果是用时10min检测出两个缺陷,分别在从上而下)4.3cm、9.2cm,其准确性和效率性都不如微磁方法。但试验也突出了这套检测系统的缺点,这套检测系统不能很好地对于缺陷的大小和深度做出一个估算,仅仅只能判断缺陷存在位置,这也是要改进的地方。并且缺陷深度对于装置扫查有非常大的影响,特别是在近表面和表面之间差别很大。

5结语

综合上述理论和试验结果,我们可以得出以下结论:(1)微磁检测技术能够检测出承压设备焊接接头中的缺陷。(2)对于近表面未开口缺陷具有较强的检出率。(3)缺陷深度对于检测结果具有较大的影响,深度越深,检出率越低,深度越浅,检测率越高。

参考文献:

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作者:喻德耀 单位:江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院南昌检测分院

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