磁记忆检测在煤矿设备检验中的应用分析

2021-11-03曹海青

设备管理与维修 2021年18期

宫成，谢沛，曹海青，焦阳

（1.陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西榆林 719300；2.陕煤集团陕北矿业公司，陕西榆林 719000）

0 引言

磁记忆检测技术的应用是利用金属材料具有磁记忆特性对零部件可能存在应力集中的部位加以快速检测。作为一种无损检测方法，此技术融合了断裂力学、金属学等多个学科，可以检测出金属结构件内部结构存在的应力集中问题，可以准确识别出存在的微观缺陷、早期疲劳、失效、损伤问题，对于设备存在的突发性疲劳损伤问题可以提前采取预防措施。这项技术的应用也是当前可以对金属结构件加以早期诊断的唯一有效的无损检测方法。

1 磁记忆检测的实施原理

煤矿设备中使用了许多的结构件，体现出强度高、塑性好、韧性好等多方面的优势。但是随着使用时间的增加，其物理性能会变得劣化，材料内部结构会有损伤出现，会有微观缺陷出现。伴随着时间的推移，这些微观缺陷会扩大、合并，如果缺少必要的维护措施，发展到一定程度会对构件的强度产生影响。其破坏作用会对结构件的可靠使用造成直接的影响，严重时会引发重大事故。

铁磁材料在发生损伤与累积的过程中，其力学性会发生很大的变化，体现在其光、电、热、磁等多种物理参数同步会有变化。物理参数的变化幅度可以表明铁磁材料存在的缺陷或损伤的情况。磁记忆作为一种无损检测技术，就是借助测量分析构件磁信号发生的变化，对铁磁材料存在的缺陷、应力等参数加以测量，以明确位置与受损害程度。磁记忆检测技术的应用是利用铁磁材料本身具有微弱磁场的特性，不用再外加磁化装置。这是由于地磁场可以作为唯一的外磁场。与其他检测手段相比，体现出灵活、易于实现等特点。

铁磁构件加工与运行中，其内部会有应力产生，由于存在应力与地磁场的共同作用，材料原有的磁畴结构与分布特征也会随着应力的变化而同步发生改变，在宏观上体现为材料发生磁化。由于磁畴结构发生改变，磁畴壁位置也会有移动，材料表面存在漏磁场。结构件的应力集中与变形区域，磁畴组织存在定向与不可逆的重新取向，在没有工作荷载后还会被保留，可以“记忆”结构件表面存在的应力与变形发生集中的区域，即表达为磁记忆效应。磁记忆检测仪作为无损检测，可以测量缺陷与应力集中区域存在的漏磁场Hp，如果法向分量Hp（y）数值超过了零点，梯度值会有较大值，水平分量Hp（y）能体现出最大值。测量铁磁材料表面漏磁场Hp 的数值，结合其分布情况可以分析出缺陷与应力集中存在的区域。磁记忆技术可以被广泛应用于各类结构件检测中。

2 磁记忆检测技术的实施方法

磁记忆检测的特点是无损，作为一种新的检测方式，可以用于表达在工作载荷条件下设备与金属结构局部存在的缺陷，通过应力集中区存在的漏磁场加以体现。损伤发生的过程可以理解为变形区域存在应力集中，原有的金属性质发生了变化，因此这一现象可以反映设备运行状态下磁化强度发生的变化。磁记忆可以表达出最大工作载荷条件下局部区域的情况。传统模式下的无损检测只通过查找出已经显现出的缺陷，而磁记忆的优势是可以早期诊断设备，此时存在应力集中部位的缺陷还没有拓展。磁记忆可以检测出零部件内部存在的应力集中问题，能明确设备存在的最危险部位，而其他无损检测方法通常难以确定是否存在缺陷。

3 磁记忆检测的特点与作用

3.1 特点

不同于漏磁检测，磁记忆检测具有多方面的优势：①能快速对大型设备加以检测；②检测时可以不借助于磁化设备就能对铁制备件进行必要的检测；③测量中不需要清理被测工件的表面，不需要实施预处理；④适用于特种设备，如锅炉、压力容器、压力管道等运行状态下的检测。

磁记忆是当前唯一可以保证高精度无损检测的方法，可以广泛应用于确定设备是否存在缺陷部位。实践表明，在损伤区域的检测，会有稳定磁场强度符号变化线，存在法向分量。针对设备的检测，可以将诊断参数作为磁记忆技术的基础。在当前工业领域，广泛采用了多种方法，如X 射线、超声波、γ 射线、磁检测、涡流、穿透测试。不同检测方法都有其适用范围与条件，只能检测宏观层面存在的缺陷，检测材料内部存在隐性缺陷（即应力集中）存在一定的局限性。借助磁记忆检测技术，可以发现宏观缺陷，能准确确定出应力集中区域是否具有宏观缺陷，体现出提出发生预警信息的价值。磁记忆检测技术是检测部件应力集中最为安全并且可靠的检测方法，采用了非接触式与无损伤式。检测如果发生于特殊磁性装置中，可以不需要磁场，在工件制造过程中与使用期间可以借助自泄漏磁场对铁磁部件实施快速检测，利用地磁场对工件进行磁化。不需要对检测工件的表面加以清洁抛光或通过其他方式加以处理，降低检测实施中人员的劳动强度，提升检测效率。

3.2 磁记忆检测技术的价值

磁记忆的价值体现在：①可以评价在用设备的应力分布区域，能确定应力集中的影响范围；②在裂纹没有形成之前，可以确定出最大应力的集中范围；③可以与传统无损检测技术组合使用，确定裂纹或缺陷的发生区域；④可以确定应力集中或发生损坏的影响因素；⑤可以用于确定是否需要更换零件，可以评估设备预期使用寿命，准确判定维修工作量。

4 磁记忆检测技术应用于应力集中采用的识别方法

4.1 磁记忆依据的检测准则

磁记忆技术检测的基本原理是利用地磁场条件描述金属设备存在的磁场。这一检测方法基于铁磁性理论，可以用于分析漏磁场的发生原因。金属结构存在不均匀性，在地磁场条件下，如果存在应力集，会有高应力能量存在，这导致了材料的疲劳极限会同步降低。材料内部分子结构原有的稳定状态发生改变，存在畴壁错位，磁弹性会增加。如果总自由能不改变，应力集中发生的应力能量会有最小化的趋势，这一变化高于铁磁部件内部的磁场强度，磁场泄漏明显。

4.2 磁记忆的信号处理方式

在磁记忆检测技术的应用中，借助傅立叶变换可以分析出信号的变化幅度，信号能量通常集中于低频范围内。噪声干扰存在于高次谐波区域内。磁记忆信号的特点是频谱范围宽于随机信号，频率表现为不确定。傅立叶变换只能对磁记忆信号的时域数据加以分析。小波变换将磁记忆信号从时域扩大到频域。磁记忆信号激励分为尖脉冲噪声与白噪声。小波变换的应用可以分析出不同条件下磁记忆幅频特性。信号若为白噪声，白噪声模数密度与标度为负相关，即标度越大，模量最大值会同步增大。从磁记忆的机理可以看出，结构件如果有应力集中，或有微损伤突变存在，局部具有奇异性，区域中会有不规则的磁记忆信号存在，表达出的位置体现出识别信息。获取到的频谱去除噪声后，能分析低频信号。如果故障特征信号被过滤掉，会漏检。存储器信号要体现出低频与高频信号特征，以体现检测部位存在的应力集中。

5 磁记忆检测技术应用于煤矿设备检验

热处理的应用是为了有效消除焊接后残余应力的影响，保证接头具有更可靠的性能。磁记忆检测技术的应用能确定出应力分布区域，借助应力分布能确定应力极大值点，确定出受影响的范围。对于焊接应力的检测，得到详尽的数据，可以对工艺过程加以评价。煤矿中结构类设备可以用磁记忆加以检测。钢结构发生塑性变形后，晶相会同步变化，马氏体表达出磁效应。磁记忆检测因此适用于金属结构的检测。

5.1 碳钢结构应用磁记忆检测技术

焊接是设备加工制造与维护修复的重要工艺。焊接伴有高温，导致施焊区域温度存在分布不均现象，材料因此受到热胀冷缩不均匀的影响，焊接后的残余应力难以保证全部释放。焊接残余应力会导致材料疲劳损伤加剧，易有脆性断裂发生，会加速早期磨损，腐蚀发生后会有蠕变产生。焊接残余应力的消除是保证焊接性能的关键。当前多借助热处理以保证残余应力得以消除，焊接残余应力加以释放。热处理的应用能保证接头的性能。煤矿开采应用了多种大型设备，装配需要在现场完成，难以实现热处理。磁记忆检测技术的应用能检测出残余应力，方便调节焊接工艺参数，因而可以保证施工质量，对存在的安全风险加以评估。某煤矿企业针对液压支架借助磁记忆检测技术实施检验，结果见表1。可以看出，借助磁记忆检测技术能明确零部件应力集中情况，包括数量、面积、裂纹数量。

表1 液压支架磁记忆检测结果

5.2 磁记忆技术在液压设备上的应用

磁记忆检测技术的应用是对铁磁部件表面存在的漏磁场强度检测来表明工件存在的应力集中区域或潜在隐患范围。煤矿生产中液压支架中的关键设备是油缸，油缸的组成多为铁磁材料。奥氏体经过塑性变形后会产生晶像位错，位错堆进一步发展成马氏体微团簇。马氏体体现出磁效应，油缸检测利用磁记忆检测技术体现出可行性。某煤矿液压支架缸体采用磁记忆检测技术检验，结果见表2。可以看出，借助磁记忆检测技术可以检测出液压设备的外缸、内缸、活柱存在的应力集中与裂纹、凹陷等缺陷，为预知维修创造了有利条件。