磁记忆检测在压力容器检验中的应用

试验研究 磁记忆检测在压力容器检验中的应用 高春法,黄昌光,宋 凯刘伟成,张路根,肖忠群 (南昌航空工业学院,南昌 330034) (江西省锅炉压力容器检验所,南昌 330029) 摘 要:磁记忆检测是基于铁磁构件的磁效应,可有效发现构件的应力集中区域,是一种对金 属材料进行早期诊断的新的无损检测方法。将两种钢板试件模拟压力容器受压元件加载试验,得 到了其中应力集中变化的定性规律。并对超高压水晶釜和铁路槽车等压力容器进行了实测,取得 了一些有益的经验。可以预期,该方法作为压力容器的预诊手段,有良好的应用前景。 关键词:磁记忆检测;压力容器;应力集中 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2003)0520247203 APPLICATION OF MAGNETIC MEMORY TESTING TO PRESSURE VESSEL GAO Chun2fa , HUANG Chang2guang, SONG K ai (Nanchang Institute of Aeronautical Technology , Nanchang 330034 , China) LIU Wei2cheng, ZHANGLu2gen , XIAO Zhong2qun (Inspection Pressure vessel ; Stress concentration 铁磁材料构件存在磁致伸缩效应,即当改变构 件的磁化状态时会导致构件几何尺寸的微量变化; 反之,若对构件施以机械应力改变其几何尺寸和体 积,会使构件中磁化状态发生改变,此为磁致伸缩逆 效应或机械磁效应。 构件在工作过程中受到应力的作用后产生形状 和体积的改变,引起构件中的磁化状态发生变化。 若构件受力不均,则磁化状态的变化也不均匀,如果 存在局部高应力(即应力集中区 ) , 则将出现急剧的 磁化状态变化区。这种非均匀变化的磁化状态借助 载荷应力或变形后的残余应力得以保持,称为磁记 忆。磁记忆检测方法就是通过测量构件磁化状态 收稿日期:2003202217 基金项目:教育部重点研究资助项目(地方01063) ;国家质监总 局青年科技基金项目(Q 012 10) 来推断其应力集中区的一种无损检测方法。构件应 力集中区内的应力常常高达名义应力的数倍乃至十 余倍,极易产生位错滑移变形,导致蠕变、 疲劳和腐 蚀的加速,从而诱发裂纹。因此,应力集中区常常是 构件受损的薄弱部位。据文献1 ,50 %以上的损伤 和事故是在应力集中区突然发生的,这种突发性的 破损是传统无损检测方法(如超声、 射线和磁粉等) 难以或无法检出的,因为传统无损检测方法只限于 检测宏观缺陷,很难发现发展中微观尺寸的缺陷。 而磁记忆检测能在损伤早期检出应力集中,是对金 属材料损伤进行预诊断的无损检测新方法24。 1 压力容器构件的应力集中 压力容器用于储存和运输有压力的流体和传热 介质,或为介质提供化学反应空间等,其在工作过程 742 第25卷第5期 2 0 0 3年5月 无损检测 NDT Vol. 25 No . 5 May 2 0 0 3 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 中的受力是多向、 复杂的,除了存在由介质压力产生 的薄壳理论应力外,还有多种与主应力交织的局部 应力,这些都会导致应力集中。例如,在受压元件上 的台阶、 接管和封头连接处由于结构不连续产生不 连续应力;焊缝内存在残余应力;容器的支撑力以及 由于受压元件内存在材质不连续(可能是不超标缺 陷)而引起的较大内应力等。这些应力的叠加交织 使构件的受力非常复杂,有可能在应力集中严重处 产生材料变形。压力容器的应力集中是不可避免 的,轻度的应力集中不会对其安全使用产生影响,但 重度的应力集中常常是损伤的根源,如有的容器在 很低的工作应力下(远低于材料的屈服强度)就失效 或爆炸了,主要原因为应力集中处的实际应力超过 了材料的屈服强度,甚至是强度极限。 2 试验研究 元件的应力集中与应变会导致所在部位的漏磁 场出现规律性变化,即应力集中线处漏磁场的水平 方向分量HP( x) 具有最大值,垂直方向分量HP( y) 为零值。磁记忆方法就是通过测量漏磁场垂直方向 分量HP(y)的零值线来检测受载铁磁构件上的应 力集中。试验在拉伸机上进行,试件为与压力容器 元件形状接近的平板,材料为3mm Q235钢和6mm 35钢两种。试件在试验前经磁记忆检查不存在过 零线,在试件上采用0. 02mm钼丝线切割制造人工 缺陷,形式有A ,B ,C三种(图1) ,共制作十块,其中 一块不加工人工缺陷。为保证试件在载荷作用下能 自由变形,采用平面应力形式。试验时载荷按档逐 步增加,在每档上均采用磁记忆方法测量应力集中 部位(人工缺陷末端周围)的漏磁场垂直分量 Hp(y) ,记录最大值并找出零值线。经过大量的实 验和分析发现: (1)在应力集中区漏磁场垂直分量Hp( y) 的最 大值随载荷应力的增大而下降,如图2所示。在塑 图1 试件和人工缺陷 性变形后下降趋缓,但更为稳定。在应力较小的范 图2 应力与Hp( y) 围(图2中0.5以内 ) , 应力集中处的变形大致属于 弹性范围, Hp( y) 和应力变化为近似线性关系。 (2)在载荷的作用下应力集中区内Hp(y)一定 存在零值线,但零值线的位置随着载荷的变化会出 现少量位移。图3是中部有线切割人工缺陷的3mm 厚Q235钢板试件在不同载荷下测量的零值线分布 图。零值线位置随着拉伸载荷的变化而变化,文献 5 ,6也有类似的报道。图3中,当材料有良好的塑 性和韧性时,随着载荷的增加,其应力集中处首先在 与主应力夹角呈45 方向上出现位错和滑移,由于应 力集中,此处的应力很容易达到材料的屈服应力,当 /s为0.30. 4时,就可得到以Hp( y) 的零值线 为特征的位错和滑移带。随着载荷的增加,滑移带 会逐步扩大并形成局部面积状屈服,零值线也随着 位错滑移的变化而发生相应变化。 图3 载荷变化时Hp( y) 零值线的变化图 (3)材料应力集中处产生局部面积屈服会引起 应力的释放和转移,应力场将复杂化,漏磁场的 Hp( y) 的零值线规律将变差, Hp( y) 值变小,其磁图 像也变得复杂,会出现多条甚至比较杂乱的零值线。 在压力容器受压元件的检测中如遇到类似情况必须 予以关注,因为压力容器材料的塑性和韧性都较好, 应力集中处易形成面积状屈服,这时很有可能会产 生蠕变、 疲劳和诱发裂纹等。 (4)试件由平面应力逐步向平面应变状态变化 (加大试板厚度 ) , 或者是材料塑性变差,屈强比(屈 842 高春法等:磁记忆检测在压力容器检验中的应用 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 服强度与强度极限之比)增大(许多高强钢有此性 质 ) , 裂纹的敏感性加大,很容易生成裂纹。在试验 中一侧加工线切割槽的35钢试件在载荷增大过程 中当即被拉出了与主应力方向垂直的裂纹。磁场 Hp( y) 的零值线大致沿着裂纹扩展的方向。 在人工缺陷周围应力集中处的磁场Hp( y) 的响 应对实际应用有一定的指导意义。采用磁记忆方法 检测压力容器时除了发现应力集中区外,人们更关 注的是希望借此发现对容器安全有直接危害的宏观 缺陷。上述试验得到了一些定性规律,但在定量方 面却表现出较大的离散性,其原因是多方面的,可能 是应力集中程度分布上的差异,也有可能是平板材 料显微结构上的差异等。 3 在压力容器检验中的应用 由于磁记忆方法对应力集中的敏感性、 检测迅 速和无需复杂的表面准备等特点,构件检测前可以 先用该法将其应力集中情况普查一遍,再采用传统 的无损检测方法对应力集中处进行检查,这样可以 大大减少工作量,提高效率。 3.1 超高压水晶反应釜的磁记忆检测 该反应釜为筒状容器,用于制造人工石英晶体, 属 类超高压容器,根据型号不同工作压力为137 167MPa ,温度为380400,内径为 180 280mm ,壁 厚 为75110mm ,材 料 为708钢、 43CrNi2MoV和PCrNi3MoVA等数种。 在实际检查中先采用磁记忆方法普查,然后根 据磁记忆信号采用超声和磁粉等方法探伤,最后采 用超声、 磁粉等对容器受压面进行普查。检测中,根 据磁记忆信号探出许多缺陷;同时在许多有磁记忆 信号的区域未发现缺陷;到目前为止在该容器上尚 未发现无磁记忆信号而检测出缺陷的现象。检测实 例如下: 图4 磁记忆信号与缺陷 (1)某建材厂73号釜 在距釜底300mm外表面处发现一条环状磁记 忆信号(图4) ,长170mm ,宽50mm;并在大致相当的 圆周位置,距釜底650和800mm处发现两条近乎环 向的长度分别为300和250mm的磁记忆零值信号 线;在距釜底300650mm区间内还发现一些杂乱 的磁记忆零值信号线。经超声检查,在距釜底 400mm的釜体内壁发现一条长为120mm ,深度达 12mm的轴向裂纹,其反射波高达判废线+ 20dB。图 5为磁记忆检测图片。 图5 73号釜的磁记忆检测结果 (2)某厂GYF225 8822022008号釜 该釜由于历史打磨缺陷的原因,釜体表面上有 三处打磨凹坑(图6) ,最深达8mm。经磁记忆检测 发现,凹坑内外都有磁记忆Hp(y)零值线信号,方向 杂乱,长度通常为1020mm ,最长的有3040mm。 经磁粉探伤发现,凹坑内有多条表面裂纹,最长达 12mm。 图6 磁记忆信号与表面裂纹 在水晶釜的检测中,根据磁记忆信号还检测到 多处尺寸较小的缺陷,例如,在某厂11号釜筒体上, 根据磁记忆信号在距釜底150mm处由超声波检出 一埋深为83mm ,环向长29mm ,波高为定量线- 15.3 dB的缺陷,在周向另一位置,距釜底300mm处查出 另一环向长90mm , - 19dB的埋深缺陷;在GYF2 250A20089172号釜的定位焊点处根据磁记忆信号由 磁粉探伤查出多条24mm的表面裂纹。当然,亦 有很多磁记忆信号与缺陷无关,仅表明该部位存在 应力集中,还没有引起或发展为宏观缺陷。这时需 要检验人员认真判断。 3.2 铁路槽车、 除氧器等的磁记忆检测 铁路槽车中主要焊缝检测结果表明,根据磁记 忆信号检测缺陷基本可行,但必须注意,漏磁场 Hp( y) 大的未必一定有缺陷,如在某罐车的检测中 发现封头与筒体的连接焊缝处有一Hp(y)零值线 (下转第268页) 942 高春法等:磁记忆检测在压力容器检验中的应用 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 度视其距工件表面的距离、 几何形状、 缺陷取向、 尺 寸大小有很大的不同,纵向发纹对工件疲劳寿命的 影响与工件上横向刀纹相比要小得多,而横向发纹 对工件疲劳寿命的影响比纵向发纹要大得多2。 7 发纹的控制效果 表4为2000年转轴探伤情况统计表。可以看 出,存在发纹缺陷的转轴占全部转轴的4. 63 % ,带 发纹转轴占有缺陷转轴的62. 13 % ,完全因发纹报 废的转轴占全部报废转轴的22. 22 %。将1998 2000年转轴探伤情况进行比较,列于表5。可以看 出,因采取了加强对原材料质量的控制和改进转轴 加工工艺等措施,牵引电机转轴的废品率明显减低。 表5 电机转轴报废情况统计表 时 间探伤数量 各缺陷引起的报废数量 发纹裂纹两缺陷 废品率 % 1998年612月1 650123718216.73 1999年全年3 1706514710510.00 2000年全年3 1523689375.10 8 结束语 通过电机转轴发纹磁粉探伤及分析、 控制的实 践,提高了对发纹缺陷的认识和探伤检验的能力,积 累了一定的经验。同时也认识到,加强对探伤检验 结果的统计分析,及时为有关部门的工艺改进和质 量控制提供可靠的依据,有着十分重要的作用,是应 该注意加强的一项工作。 参考文献: 1 美国无损检测学会编.美国无损检测手册 译审委员 会译.美国无损检测手册 磁粉卷M.上海:世界图书 出版公司,1994. 2 袁金才.发纹的微观本质及其对疲劳性能的影响R. 沈阳:中国科学院金属研究所,1986. (上接第249页) 长达1 200mm ,磁场高达400A/ m ,但超声波和磁粉 探伤后仅发现了一处很小的夹渣;在另一处,由于外 表面磁记忆信号弱,Hp( y) 零值线较短,磁场幅值不 大,但在内表面进行磁粉探伤时却发现两条表面裂 纹,说明在外表面因应力集中引起的漏磁场垂直分 量Hp( y) 零值线附近的磁场幅值并不大。由此可 见,弱信号处未必一定无缺陷。此外,在电厂除氧器 等容器的测量中也取得了一些相似结果。 4 结论 (1)磁记忆方法在压力容器检测中的应用实例 说明,该方法能够作为压力容器的预诊手段,有良好 的应用前景。如果需要,还可以作为一种在役检测 方法。 (2)由于目前在压力容器检修中仍以超标缺陷 作为返修判别的依据,因此,对缺陷处的磁记忆信号 规律还需进行深入研究。另外,也可以考虑将应力 集中严重的区域作为返修的依据。 参考文献: 1 杜波夫.金属磁记忆法诊断管路、 设备和结构 用金 属磁记忆法诊断设备和结构的强度Z.莫斯科:2002. 2 任吉林,林俊明,等.金属磁记忆检测技术M.北京: 中国电力出版社,2000. 3 杜波夫.金属磁记忆法诊断管路、 设备和结构 金属 磁记忆方法原理Z.莫斯科:2002. 4 林俊明. 21世纪NDT新技术 金属磁记忆诊断法 J .华北电力技术,2000 ,(9) :44 - 45. 5 高利茨基,杜波夫,焦 民.金属磁记忆法诊断管路、 设 备和结构 钢试件组织损伤概率的金属磁记忆法研 究Z.莫斯科:2002. 6