磁记忆检测技术在游乐设施上的应用

胡 斌,沈功田

(中国特种设备检测研究院， 北京 100029)



磁记忆检测技术在游乐设施上的应用

胡 斌,沈功田

(中国特种设备检测研究院， 北京 100029)

磁记忆检测技术在对铁磁性构件的应力集中和缺陷检测上具有独特的优势。针对游乐设施的运行特点和失效模式，研究了其疲劳损伤的形成过程、表面开口缺陷动态发展的磁记忆信号的变化规律和阶段性特征；分析并总结了静止状态下典型游乐设施宏观缺陷的磁记忆信号特征。结合案例介绍了游乐设施的磁记忆检测及评价流程。

磁记忆；游乐设施；动态扩展；应力集中

游乐设施是指用于经营目的、承载乘客游乐的设施，据2015 年统计，我国拥有在用游乐设施1.9万台，大中型游乐园438个，平均年乘坐人数10多亿人次。游乐设施是用于创造欢乐的载体，其质量和安全关系到游客的生命和健康，一旦发生事故，会造成重大人员伤亡，社会影响极其恶劣。由于游乐设施的运动载荷、重载等运行模式和惊、险、奇的设计思路，使得其常见损伤主要为应力集中、疲劳、擦伤、表面开裂、埋藏缺陷的扩展等。我国游乐设施的检测工作开展较晚，虽然近年来取得了进步，但由于历史原因，采用的检测方法多借鉴承压设备和其他行业的检测标准，难以满足这种运动复杂、结构多样、载荷多变设施的检测要求，因此，游乐设施的安全运行急需一种能够快速检测出有安全隐患区域的方法。

磁记忆的概念最早由俄罗斯杜波夫提出，随后在前苏联地区、东欧和中国开展了推广应用工作。由于磁记忆检测能评价应力集中且无需磁化，引起了国际无损检测学界的极大关注，并在众多领域开展了广泛的研究和讨论[1-5]：国际焊接学会(IIW)在“应力与变形检测 ”课题中提出一项任务专门考察磁记忆方法的有效性,并与其他方法比较，拟定了20余项磁记忆方法的文件；德国联邦材料研究所(BAM)也开展了大量的磁记忆检测的应用研究。除俄罗斯外，ISO(国际标准化组织)也相继颁布了磁记忆检测标准[6-8]。

1 磁记忆检测原理和国内研究现状

1.1 磁记忆检测原理

磁记忆现象是指在弱磁场环境中，铁磁性金属材料在外界环境因素(载荷、温度、机械加工或碰撞等)作用下，在局部区域产生不可逆的残余磁性现象；表现为在该外界环境因素去除后，铁磁性材料表面的局部磁场变化仍然保留。

磁记忆检测原理是:在不施加人工激励磁场的条件下，采用传感器测量被检件的表面磁场分布，通过获得磁场突变信号来发现被检件上可能存在的应力集中、材料劣化或材料损伤部位。

图1为磁记忆检测原理示意图[9]。磁记忆检测时，通过传感器扫查被检件表面磁场来获取磁场分量(常用法向分量，也可为多维分量)的变化，经过适当的数据处理和分析，来发现被检件上存在的损伤或应力集中区域,图中1为被检件，2为损伤或应力集中区域，3为传感器，4为放大器，5为表面磁场分布，6为表面磁场法线分量输出的磁记忆信号。

图1 磁记忆检测原理示意

1.2 磁记忆检测国内研究现状

在磁记忆的概念被熟知后，国内无损检测学者进行了大量的研究工作。

2000年任吉林等编写了介绍金属磁记忆检测的中文专著[10]，林俊明等[11]研发了国产磁记忆检测设备。2001年仲维畅[12]提出了铁磁性材料的自发磁化过程可通过该材料的磁化曲线和退磁曲线来确定的观点，开始了对磁记忆检测机理层面的研究和讨论。2002年李路明、黄松岭等研究了地磁场下应力集中导致的磁场畸变[13-14]，解释了地磁场和环境磁场的影响规律[15]。任吉林、黎连修分别基于磁弹性效应的逆效应对磁场畸变的机理进行了阐述[16-17]。雷银照提出了地磁场下受应力作用的铁磁杆件的有效场表达式[18]。胡斌、钟力强等研究了磁记忆信号产生过程中的影响因素及模型[19-21]。耿荣生在航空器磁记忆检测方面展开了应用研究[22]。沈功田等研究了特种设备的磁记忆检测技术及应用[23]。钟万里等开展了磁记忆在电力系统检测方面的应用[24]。

由于磁记忆检测技术具有快速、不打磨、直观等特点，故在我国已得到广泛应用，自2011年国家标准GB/T 26641-2011《无损检测 磁记忆检测 总则》颁布后，磁记忆检测技术在我国的应用更加广泛和深入。

2 动态损伤的磁记忆信号

游乐设施金属结构的连接方式主要为焊接和螺栓连接。金属部件一般以轧制件、焊接件、锻件和铸件为原材料，经机械加工制成。轧制件、焊接件和锻件主要采用碳素结构钢、优质碳素结构钢或低合金结构钢。此外游乐设施的最大特征就是设备的运行模式复杂多变，伴随设备运行而产生的损伤类型也较为多样化，典型的有疲劳损伤、冲击损伤等，且存在缺陷的动态扩展。中国特检院领导的课题组在国家项目的支持下，开展了游乐设施的磁记忆信号特征的研究[3]。

2.1 疲劳损伤的磁记忆信号

疲劳断裂是游乐设施服役过程中常见的一种损伤模式。疲劳理论认为疲劳源于位错运动，位错通过运动聚集在一起，形成初始疲劳裂纹，在初始裂纹处又形成了新的应力集中，在这种应力集中和应力反复交变的条件下，微裂纹不断扩展、形成宏观裂纹。采用磁记忆检测技术可通过检测工件表面的磁场分布情况对其应力集中位置进行诊断，从而实现对疲劳等早期损伤的诊断。

通过在平板试件上进行三点弯的交变载荷试验，测量不同加载周期后试件的磁记忆信号[25]，交变载荷作用下不同周期的磁记忆信号曲线如图2所示。

图2 交变载荷作用下不同载荷周数的磁记忆信号曲线

对图2中所获取的磁记忆信号进行峰-峰值处理后，获得了如图3所示的磁记忆信号与载荷周数的关系曲线。

图3 磁记忆信号与载荷周数的关系曲线

结合疲劳理论和磁记忆检测原理，可以对M-N曲线(M为疲劳区域磁场变化量，N为疲劳载荷周数)进行解释：在试件疲劳寿命的0～10%期间，表现为在微观结构适应周期应力或应变的同时,位错密度和结构的明显改变，导致应力集中程度随着N的增大逐渐变大，试件表面磁场的变化也逐步变大；在试件疲劳寿命的10%～90%期间，由于位错的亚结构缓慢地发展并且日益变得不均质，将导致最终使裂纹成核的稳定滑移带的形成，宏观上没有应力的明显变化，所以试件表面磁场没有明显的变化；在90%～100%期间，微细裂纹迅速地扩展为宏观裂纹，在试件表面形成较大的漏磁场。因此，试件疲劳区域表面磁场的变化量与N的关系图与疲劳发展的三个阶段非常吻合，在疲劳寿命的0%～10%间是一条平缓上升的曲线，在10%～90%之间是一个平台，90%～100%是一条急剧上升的曲线，即M-N曲线是一种可行的疲劳状态评价方法。

2.2 缺陷扩展过程的磁记忆信号 通过在含表面裂纹的试件上施加不同载荷的试验，获得了如图4所示的不同载荷下磁记忆信号曲线[26](图中H为磁场强度，dH/dx为磁场梯度)。

为了获得裂纹活动与载荷的规律，将载荷与裂纹处磁记忆的峰-峰值进行处理，获得了如图5所示的加载过程中裂纹处磁记忆信号与载荷的关系曲线。由图可见，磁记忆信号的绝对值在整个加载过程中随着应力值的增大，尤其是裂纹未扩展前，由于应力值的增大，磁记忆信号逐步变大，一旦裂纹扩展，磁记忆信号会减小或者不变。因此，可以根据不同时期测量的磁记忆信号来判断裂纹是否扩展，以及是否是活动性缺陷。

图5 加载过程中裂纹处磁记忆信号与载荷的关系

2.3 小结 磁记忆检测方法对应力集中导致的微细裂纹，尤其是裂纹萌生时的检测非常灵敏，这对提高游乐设施的安全运行具有重要意义；疲劳损伤的磁场信号畸变证实了磁记忆检测方法用于游乐设施等特种设备关键零部件早期预警的可行性，磁记忆检测方法的工程应用将极大地提高特种设备运行的安全性。

3 典型缺陷的磁记忆信号研究

3.1 压痕

压痕是游乐设施轨道上常见的一种变形损伤，常规的检测方法无法有效快速地对该类损伤进行检测，造成该类损伤未能得到及时的关注，最终导致结构失效。

由于设备静止时，压痕部位为主要承载部位。设备长期运行后，压痕部位会产生局部变形，此时的压痕部位表面磁场由两部分构成：一部分为形貌变化导致的磁场变化；另一部分为变形部位的磁记忆信号。压痕的典型磁记忆信号如图6所示。

通过大量压痕的磁记忆信号分析和对比，发现该类信号特征较为明显：磁记忆信号的畸变区基本与压痕的位置吻合；磁记忆信号畸变是单向变化，不存在交变信号；压痕处磁记忆畸变信号强度值与压痕所承受载荷成正比；磁记忆畸变信号的绝对值一般在200 A·m-1以下。

图6 压痕的典型磁记忆信号

3.2 表面划痕

表面划痕是特种设备常见的一种损伤，多出现在轨道的使用和整体设备的装配过程中，一般为非扩展性损伤。但在长期露天使用过程中，雨水等导致的在划痕边缘处出现的腐蚀扩展需要重点关注。此外，长期运行的环境易使得污垢堆积在划痕的表面上，而常规表面检测手段无法在不除去污垢时实施有效检测，常有漏检现象发生。

此外，为了研究检测的有效性，课题组根据前期研究的结论，对隔着污垢层检测出的怀疑有缺陷部位进行充磁检测，从而获得了更清晰的结论。图7为充磁前后的检测图像。

图7 表面划痕典型磁场信号

通过比较充磁前后的检测图像和现场划痕的尺寸，发现该类信号的特征为：磁记忆信号的畸变区能够直接反映划痕的部位和区域；磁记忆信号畸变呈现交变信号的特征，且与划痕形貌所引起的畸变信号无关；充磁后的磁信号可以消除划痕形貌对磁场的影响，但放大了磁场的畸变区域。

3.3 变形

变形部位的磁记忆信号比较特殊，其曲线特征与压痕较为相似，但磁记忆信号的绝对值比较大；可以通过磁记忆信号的曲线走向来判断变形区域，且磁记忆信号的绝对值与变形量有一定的关系，但非线性。变形部位典型磁记忆信号如图8所示。

图8 变形部位典型磁记忆信号

3.4 表面开口裂纹

表面开口裂纹是游乐设施常见的一种缺陷，多数为载荷作用下的开裂，由于存在局部的应力集中，所以裂纹处的磁记忆信号较为明显和有规律。图9为表面武器裂纹的典型磁记忆信号。

3.5 埋藏缺陷

埋藏缺陷的种类较多，按照类型可分为体积型缺陷和面状缺陷。在工件表面测量的磁场一部分是以环境磁场为磁化场，是由于缺陷导致的结构不连续的漏磁场传递到检测面的部分磁场；一部分为应力集中导致的磁记忆信号。由于环境场一般是较弱的地磁场，埋藏缺陷导致的漏磁场也较小，可以将工件表面的测量磁场等效为埋藏缺陷处的磁记忆信号，而磁记忆信号则与缺陷处的应力集中程度成正比，因此，可以依据磁记忆信号来判断埋藏缺陷的类型。图10为埋藏缺陷的A扫信号。

图10 埋藏缺陷的磁记忆信号及验证

3.6 小结

磁记忆信号的判别，首先要考虑到磁记忆信号的形成历史，即磁记忆信号产生过程中的载荷变化和环境磁场的大小和方向，还应根据磁记忆信号的绝对值、峰-峰值和梯度值进行预判是否存在损伤部位，再采用其他无损检测方法进行复验来确定是否存在缺陷。磁记忆方法一般可用于面状缺陷的检测，但对于磁记忆信号出现异常而其他检测方法未能发现宏观缺陷的情况，应予以关注。

4 游乐设施的磁记忆应用案例

4.1 框架结构的磁记忆检测

图11 某勇敢者转盘的磁记忆检测信号及其异常部位

4.2 轨道的磁记忆检测

图12 某神州飞碟的磁记忆检测信号及其异常部位

4.3 小结

游乐设施的结构形式多样，损伤模式也多样化，即使同类型的结构，由于使用环境、客流量等原因导致的损伤模式和区域也各不相同。因此，应综合考虑磁环境、载荷历史等因素来确定磁记忆信号的评价。

5 结论

磁记忆检测技术由于具有非接触、无须打磨和除漆等优点，在游乐设施的检测上得到广泛应用，尤其是对于游乐设施的关键部位和危险部位的检测、安全评价方面有着广泛的应用空间。

宏观损伤的磁记忆异常信号多数能够得到其他无损检测手段的验证，在缺乏对工件的磁特性认识时，可以用其他无损检测方法来判断缺陷的类型和尺寸。

磁记忆信号可清晰标识出疲劳损伤的整个发展过程，尤其是可以分出疲劳的三个阶段，这一特点使得磁记忆检测可以用于游乐设施的安全评价和早期预警；表面开口缺陷在不同载荷作用下的磁记忆信号变化规律，则可以用于监控游乐设施损伤部位缺陷的演变过程。

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Application of Magnetic Memory Testing Technology on Amusement Equipment

HU Bin, SHEN Gong-tian

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Magnetic memory testing (MMT) technology has the unique advantages in ferromagnetic metal component on stress concentration and defect detection. According to the operation characteristics and failure mode of amusement equipment, the varying rules and the periodic characters of magnetic memory signal during the fatigue damage growing and surface crack dynamically propagating were investigated. The magnetic memory signal of different typical static defects was analyzed and the characters were summarized. The magnetic memory testing and evaluation process of amusement equipment are introduced by case analysis.

Magnetic memory；Amusement equipment；Dynamically propagation；Stress concentration

2016-08-25

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2015BAK40B04)

胡 斌(1977-)，男，高级工程师,主要从事电磁检测技术的研究工作。

胡 斌，E-mail:hubin@csei.org.cn。

10.11973/wsjc201611004

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0021-06