磁记忆检测技术研究现状及展望

乔天骄，黄松岭，赵 伟，王 珅

(清华大学 电机系电力系统国家重点实验室，北京 100084)



磁记忆检测技术研究现状及展望

乔天骄，黄松岭，赵 伟，王 珅

(清华大学 电机系电力系统国家重点实验室，北京 100084)

介绍了磁记忆检测技术的主要应用方法，分析了相比于其他无损检测技术，磁记忆检测具有的优点，并分别从基础理论、仪器制造以及应用等方面梳理了磁记忆检测技术的国内外发展现状。在此基础上，归纳出目前磁记忆检测有待解决的关键技术问题，并预测了磁记忆检测技术的未来发展方向。

磁记忆检测；集中应力；磁致伸缩；早期诊断

铁磁性金属构件(包括制品、设备、工件等，以下统称为“构件”)在现代工业中起到支柱性作用，在交通、航空航天、设备制造、石油天然气运输、电力生产等行业和领域有着广泛应用，因此，保证各种铁磁性金属构件的可靠安全运行至关重要。采用传统的无损检测方法，如漏磁、磁粉、超声以及涡流等检测方法和相应技术，只能对铁磁性金属构件中已成型的宏观缺陷进行检测，但无法检测尚未成型的微观缺陷和应力集中区域，而铁磁性金属构件中缺陷的形成，往往是一个区域不断受到应力集中作用的累积结果。

20世纪90年代后期，俄罗斯的DOUBOV教授率先提出了金属磁记忆检测技术的概念[1]，从此，磁记忆检测便成为了一种新的无损检测技术。采用金属磁记忆检测技术，可以检测到铁磁性金属构件中存在的应力集中区域，而这往往是正在运行的相应设备发生事故的危险区域。目前，金属磁记忆检测技术是铁磁性金属构件故障早期诊断和预防的一种无损检测方法[2]。因此，该检测技术从诞生起，就受到了国内外相关领域研究者和工程技术人员的高度关注，目前已取得了一些理论研究和工程应用成果。

金属磁记忆检测方法的主要用途为：① 确定铁磁性金属构件上应力应变状态的不均匀性或应力集中区域；② 确定在铁磁性金属构件上应力集中区域的取样位置，以评估该处的材料结构状态；③ 铁磁性金属构件疲劳损伤的早期诊断和寿命评估；④ 与常规无损检测方法结合使用，以减少相应检测工作的成本和材料成本；⑤ 对各种类型铁磁性金属构件焊接质量的控制(包括接触焊与点焊的质量控制)；⑥ 通过铁磁性金属构件材料的不均匀性，对新生产以及在用铁磁性金属构件实施快速分类等。

与传统的无损检测方法相比，金属磁记忆检测技术具有明显优势：① 不需要专门清理被检测对象表面或做其他准备工作，可以保持被检铁磁性金属构件的原貌；② 与漏磁检测相比，无需主动磁化被检工件，检测后，也无需进行退磁处理；③ 可检测正在运行中的铁磁性金属构件，也可检测待修的相应构件；④ 探头提离值对检测结果影响较小；⑤ 能灵敏地检测出铁磁性金属构件材料濒临损伤的状态，在应力应变状态平均、金属构件材料强度及可靠性分析、构件寿命预测等方面均有独特的能力[3]。

1 磁记忆检测技术的基础理论国内外研究现状

1998年，俄罗斯的DOUBOV教授在第五十届国际焊接学术会议上提出了“金属应力集中区域-金属微观变化-磁记忆效应”的概念，并提出了金属磁记忆检测方法(MMM)，文中指出，当铁磁性金属构件中存在应力集中区域时，其表面漏磁场的法向分量会出现过零的判据。由此，引发了国内外业界人士对该检测新技术的强烈兴趣，并围绕着该技术是否能够检测出应力集中区域，漏磁场法向分量过零是否准确，以及地磁场在其中的影响等多方面的问题，展开了较深入的研究。

磁记忆检测的原理实际上是磁弹性和磁机械效应共同作用的结果。铁磁学研究表明，弹性应力对铁磁体不但产生弹性应变，而且还产生磁致伸缩性质的应变。在应力σ作用下，磁畴壁将改变其位置，同时自发磁化也将改变其方向。因此DOUBOV认为，铁制工件某一部位在周期性负载和外磁场(如地球磁场)作用下会出现残余磁感应和自磁化的增长[4]，周期载荷下磁弹性效应原理如图1所示。

图1 周期载荷下磁弹性效应原理

金属磁记忆检测的物理原理被DOUBOV表述为：处于地磁场环境下的铁磁性金属构件受到工作载荷的作用，由于具有磁记忆效应，在该铁磁性金属构件应力集中区域表面的漏磁场就会发生相应改变。

目前常用的DOUBOV理论判据是：铁磁性金属构件中存在应力集中区域时，其表面漏磁场的法向分量Hp(y)会出现“过零”现象；而其表面漏磁场的切向分量则出现峰值现象。研究表明，这种现象是不可逆的变化，在该铁磁性金属构件的载荷撤消后依然会保留下来，铁磁性金属构件应力集中区表面漏磁场强度法向分量和切向分量的变化如图2所示，其中x为切向，y为法向，Hp(x)为切向磁信号，Hp(y)为法向磁信号。因此，可以通过检测该铁磁性金属构件表面漏磁场的变化，来判断其中是否存在应力集中区域[5]。然而，在DOUBOV的研究中没有说清楚地磁场在金属磁记忆产生过程中的作用[6-7]。

图2 铁磁性金属构件应力集中区表面漏磁场强度法向分量和切向分量的变化

南昌航空学院任吉林等从力磁效应微观机理出发，开展了试验研究，他们发现，在被测的铁磁性金属构件中，随着应力的变化，磁畴结构也会发生变化；当外部动载荷消除后,由于材料内部存在内耗效应,使得加载在金属内部所形成的应力集中区也得以保留,为抵消应力集中区的残余应力能,磁畴组织的重新排列取向也会保留下来,并在试件表面形成漏磁场，从而验证了可以用磁弹性与磁机械效应来解释磁记忆原理[8]。后来研究发现，出现漏磁场法向分量的过零现象时，未必就有应力集中；而在应力集中区域，也未必出现法向分量的过零现象。而后，任吉林等人经过研究指出，仅从漏磁场法向过零，还不能获取足够的铁磁性金属构件内材料特性变化的信息，因此又对二维磁记忆检测方法进行探索，增加了漏磁信号切向分量取得最大值这一判据，并同时关注漏磁场切向分量、法向分量的一阶微分，形成了李萨图形分析法[9-11]。天津大学黄炳炎等利用描述磁场特性的高斯方程，以及预制焊接裂纹处金属磁记忆信号的强度等，建立了应力与漏磁信号之间的关系模型，并且对铁磁性管线钢裂纹尖端处的应力集中情况进行了定量分析[12]。张利明等对铁磁性金属构件的力磁效应进行了有限元分析，其结果使得应力的磁效应源于应力的磁导率效应的理论以及力磁偶模型得到了诠释，并且发现了应力集中区域的李萨如图形会出现封闭区域，且封闭区域的面积与应力之间并非是简单的线性关系[13]。黄松岭等用金属磁记忆方法检测了铁磁性金属构件中的应力分布，所得到的结果与盲孔法应力分布检测结果相吻合，证明了以磁记忆检测技术检测铁磁性金属构件中的应力分布是可行的[14]。

有关地磁场对磁记忆检测的作用，学术界一直存在不同观点：李路明等通过试验证明了磁记忆检测可以有效判断铁磁性钢管上存在的应力集中区域，但地磁场在磁记忆检测中并不会产生决定性影响[15]。黄松岭等在屏蔽掉地磁场的条件下，将被检测构件表面的磁场与处在地磁场环境中的被检构件表面的磁场进行了对比，发现在由应力引发的磁畸变过程中，地磁场的作用微乎其微[16]；在地磁场作用的分析方面，刘美全等得出了类似的结论：固定磁畴结点一旦产生，其磁场强度远大于地磁场的磁场强度；在基于微弱磁场对铁磁性金属构件中缺陷的检测场合，地磁场只会改变检测信号的幅值，但并不会影响缺陷信号的特征[17]。钟力强等通过改变检测时的环境磁场，发现环境磁场的影响存在两个特殊区域，检测时若外部磁场在其范围内，检测得到的由应力集中引起的磁场畸变的方向与其他区域相反，而在上述范围外的环境磁场与畸变磁场基本成正相关关系[18]。

基于磁记忆检测理论的研究成果，笔者认为，磁记忆检测到的铁磁性金属构件表面漏磁场,其本质上是由于受到应力集中的构件表面磁畴壁发生的畸变，外磁场的影响只能改变这种磁场的幅值而不是特征；在弱磁场如地磁场作用下，或许构件表面漏磁场法向分量过零，还有其他干扰磁场时，有可能整体幅值改变过大导致构件表面漏磁场法向分量不过零。

2 磁记忆检测技术的仪器研发与应用现状

目前，虽然磁记忆检测技术尚未十分成熟，但研究人员已将其应用于相关工程，并开展了大量理论和试验研究，且研发出了几种检测仪器。

俄罗斯动力诊断公司在世界上最先研发出了TSC系列应力集中磁检测仪及其配套扫描装置，利用该装置能够检测出铁磁性金属构件表面磁场法向分量强度的变化，对被检测金属构件中存在的应力集中情况进行评价。2005年5月，爱德森公司林俊明在国内召开的火电厂寿命惯例与延寿国际学术会议上所做的报告中，向与会者展示了我国研发制造的第一台磁记忆诊断仪[18]。而后，该公司对该磁记忆诊断仪进行改进、优化，又相继推出了智能型磁记忆检测仪EMS1000、EMS2000、EMS2003，及其配套用数据处理软件系统M3DPS[19]。清华大学李路明等研制出了掌上型磁记忆检测仪，该仪器不但能够以高灵敏度实时检测分析铁磁性金属构件中应力集中的情况，还可作为弱磁检测仪使用[20]。北京理工大学高玄怡等研发出了基于嵌入式系统的便携式磁记忆检测仪，可实现磁记忆信号的采集及其梯度值的计算[21]。任吉林等基于李萨图研制了二维磁记忆检测仪，能有效防止单凭漏磁场法向分量过零做判断而导致的误检情况[9]。

国内外已经将磁记忆检测应用于很多工程中：梁冰研制了油井铁磁性金属套管应力磁记忆检测仪，并进行了井下试验，可为井下套管安全状况评价提供依据[22]。张鹏林等采用金属磁记忆与X射线照相法相结合的方法，对风电塔筒的焊缝、在役塔筒法兰连接处的焊接质量等进行检测，明显提高了检测效率[23]。裴涛等将磁记忆检测技术应用在湿蒸汽发生器炉管的现场检测中，证实了磁记忆检测对炉管早期缺陷的发现是一种行之有效的方法[24]。杨伟东等将磁记忆检测用于汽轮机叶片的早期诊断中，试验发现了应力集中、但尚未发展成型的裂纹缺陷[25]。乌克兰等国不仅研发出了用于电站、锅炉管道和汽轮机叶片强度和可靠性诊断的磁记忆检测仪，并且制定出了用于评价相应检测方法和评估检测仪性能的国家标准[26]。TANASIENKO等将磁记忆方法用于检测化工设备，发现应力集中区域的被检设备材料的强度和硬度明显高于其他区域[27]。

综上所述，目前磁记忆检测技术已被电力、航空、管道运输、铁路、船舶等多个工业领域所关注。磁记忆检测仪器不断完善，从检测一维信号到能检测二维信号；从体积较大改进到便携式检测仪、掌上检测仪等。

3 磁记忆检测存在的问题及展望

3.1 磁记忆检测存在的问题

(1) 有关磁记忆现象的产生机理，尚未形成一种普遍共识的严密的理论体系，至今，仍有基于铁磁学基本理论的“能量平衡说”，还有基于电磁学的“电磁感应”学说等。

(2) 影响形成磁记忆现象的磁场的因素有很多，如应力的类型、大小、方向，以及不同铁磁性金属材料的压磁性、磁滞性、磁饱和性等，而且每种因素如何影响相应磁场也十分复杂，因此，目前还缺乏评判磁记忆检测、进行铁磁性金属构件缺陷早期诊断的严格技术标准。

(3) 作为一种弱磁检测技术，磁记忆检测获得的磁场信号极易受到其他因素的干扰，因此，如何获取可靠的磁记忆检测信号，还面临着诸多困难。

(4) 磁记忆检测中出现的磁场法向分量的过零现象与应力集中区域之间存在复杂的关联，并非所有出现应力集中的位置都存在检测信号法向分量过零的现象，而检测信号法向分量过零的位置随被测构件所承受载荷的增加，会向着应力集中的位置移动。鉴于此，并借鉴已有的研究，笔者认为，应当多在检测所得漏磁场信号的梯度值等与被测构件上应力集中位置之间，建立具体的对应关系方面，开展更深入的研究。

(5) 目前，基于检测得到的磁记忆信号，还无法获得有关缺陷的全面信息，也就无法对被检测对象的具体损伤情况给出定量的评估，即现有的磁记忆检测技术，仅能作为判断铁磁性金属构件是否存在危险的一种初步判断方法。

3.2 磁记忆检测技术的展望

磁记忆检测是一种以电磁学、无损检测断裂力学以及金属学等多个学科知识为基础形成的检测技术，目前在相应基础理论的研究、仪器设备的研发以及检测结果量化、损伤程度评估等方面均还存在不少有待解决的难题。鉴于此，笔者认为，磁记忆检测技术未来的发展方向是：

(1) 对磁记忆效应产生的机理及其影响因素，要通过更深入的理论探索及应用研究，尽早在业界达成共识，形成一套严密的理论体系。

(2) 十分有必要形成一套相应漏磁场信号与铁磁性金属构件损伤情况的具体量化标准。

(3) 磁记忆检测应用于现代工业许多领域中的金属构件缺陷的早期诊断，因此，应该研发制造出专门针对不同领域特点的磁记忆检测装置，并形成与之相配套的数据处理分析方法。

[1] DOUBOV A A.Study of metal properties using metal magnetic memorymethod [C]//7th European Conference on Non-destructive Testing.Copenhagen:[s.n]，1998：920-927.

[2] 刘三江，顾邦宪，周裕峰，等.金属磁记忆检测技术概况及初步应用[J].无损检测，2002，24(9):400-402.

[3] 徐海波, 樊建春, 李彬. 金属磁记忆检测技术原理及发展概述[J]. 石油矿场机械,2007(6): 14-18.

[4] DOUBOV A. Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory[C]∥Conference NDT′99. Pool.[s.l]:[s.n],1999:181-187.

[5] DOUBOV A A. The method of metal magnetic memory-the new trend in engineering diagnostics [J].Welding in the World, 2005, 49(9):314-319.

[6] DOUBOV A A.Diagnostics of boiler tubes with usage of magnetic memory[M]. Moscow: Energoatomizdat,1995.[7] DOUBOV A A. Study of metal properties using magnetic memory method[C]//Proceedings of the 7th European Conference on Nondestructive Testing.Copenhagen:[s.n],1998:920-927.

[8] 任吉林,陈晨,刘昌奎,等.磁记忆检测力-磁效应微观机理的试验研究[J].航空材料学报,2008(5):41-44.

[9] 任吉林, 邓胤, 刘海朝, 等. 二维磁记忆检测仪器的研制与试验研究[J]. 南昌航空大学学报:自然科学版,2014(4): 43-49.

[10] 任吉林, 孙金立, 周培, 等. 磁记忆二维检测的研究与工程应用[J]. 机械工程学报,2013(22):8-15.

[11] 任吉林, 王进, 范振中, 等. 一种磁记忆检测定量分析的新方法[J]. 仪器仪表学报,2010(2): 431-436.

[12] 黄炳炎，李午申，邸新杰，等.焊接裂纹应力与磁记忆信号关系的实验研究[J].电焊机，2006，36(11)：53-56.

[13] 张利明, 付任珍, 刘国奇, 等. 磁记忆检测力磁效应的有限元分析[J]. 失效分析与预防,2014(1): 26-29.

[14] 黄松岭,李路明,汪来富,等. 用金属磁记忆方法检测应力分布[J]. 无损检测,2002(5): 212-214.

[15] 李路明, 王晓凤, 黄松岭.磁记忆现象和地磁场的关系[J].无损检测,2003,25(8): 387-389.

[16] 黄松岭,李路明,王晓凤,等.地磁场在应力致磁畸变产生过程中的影响[J].清华大学学报:自然科学版,2003(2): 208-210.

[17] 刘美全, 徐章遂, 米东, 等. 地磁场在缺陷微磁检测中的作用分析[J]. 计算机测量与控制,2009(12): 2371-2373.

[18] 林俊明.一种在役部件早期损伤的无损检测新方法[C]//2000年火电厂寿命管理与延寿国际会议暨全国第六届电站金属构件失效分析与寿命管理学术会议论文集.[出版地不详]:[出版者不详]，2000.

[19] 任吉林,林俊明.金属磁记忆检测技术[M].北京:中国电力出版社, 2000.

[20] 李路明, 胡斌, 黄松岭, 等. 掌上型金属磁记忆检测仪[J]. 无损检测,2004,26(5): 249-252.

[21] 高玄怡, 刘俊, 李燕民, 等. 基于嵌入式结构的便携式磁记忆检测仪[J]. 仪表技术与传感器,2005(5): 11-12.

[22] 梁冰.油井金属套管应力磁记忆检测仪[J]. 石油仪器,2014(6): 45-46.

[23] 张鹏林, 许亚星, 桑远, 等. 磁记忆技术在风电塔筒检测中的应用[J]. 无损检测,2014,36(9): 67-69.

[24] 裴涛, 樊户伟, 董辉, 等. 磁记忆检测技术在湿蒸汽发生器炉管上的应用[J].科技信息,2014(6):222-234.

[25] 杨伟东, 李岩, 徐贤, 等. 基于金属磁记忆的汽轮机叶片早期诊断[J].宁夏电力,2014(3): 63-67.

[26] CHECHKO L L. Using the method of magnetic memory of metal to evaluate the service life of the items power equipment at the konalovo district power station[J]. Thermal Engineering,2002,49(12):1028-1031.

[27] TANASIENKO A G,SUNTOSOV S I,DOUBOV A A.Monitoring chemical plant by a metal magnetic memory method[J].Chemical and Petroleum Engineering，2002，38(9/10)：620-624.

The Current Research Status and Prospects of Magnetic Memory Testing Technology

QIAO Tian-jiao, HUANG Song-ling, ZHAO Wei, WANG Shen

(State Key of Power Systems Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Magnetic memory testing technology is an effective method capable of the early diagnosis of ferro-magnetic metal component defects. This paper briefly introduces the basic principle of magnetic memory testing, analyses the unique advantages of magnetic memory testing by the comparison with other detection, summarizes the development status quo at home and abroad from the aspect of basic theory and the aspect of instrument manufacture and application respectively, proposes the key problem to be solved of the magnetic memory testing technology, and finally forecasts the development direction of magnetic memory testing in the future.

Magnetic memory testing；Stress concentration；Magnetostriction；Early diagnosis

2015-06-03

国家自然科学基金资助项目(51277101)

乔天骄(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为无损检测技术。

黄松岭，E-mail:huangsling@tsinghua.edu.cn。

10.11973/wsjc201611003

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0016-05