按金属的残磁确定其机械应力集中区的方法.doc

“动力诊断技术”公司按金属的残磁确定其机械应力集中区的方法作者：技术科学副博士 杜波夫华北电力科学研究院有限责任公司北京 2002年1总 则1.1 本方法用来对设备与结构破损的主要根源-应力集中区做技术诊断。对于确定机械制造产品中的工艺性残余应力集中区，本方法有单独的章节。1.2 本方法利用金属在工作载荷和残余应力作用下形成的残磁去确定应力集中区。这里，被检测零部件的磁化源，可能是地球的磁场。方法是建立在磁致伸缩效应和金属的磁记忆原理上。1.3 本方法既可在所有的工业部门单独使用，也可以和传统的检测方法和手段结合起来使用。2用途和使用范围2.1 本方法按使用范围分为二个部分。第一部分的使用范围是处在结构外的零部件（新的和旧的）以及加工后的机械制造产品。第二部分是处在运行的设备与结构上的零部件。2.2 本方法适用于以铁磁牌号钢制做的零部件。2.3 本方法能够：2.3.1 确定被检测零部件金属中的焊接联接上的最大应力集中区。2.3.2 无需切块取样去评定最大应力集中区里的金属状态。2.3.3 和其它无损检测方法相结合能更加有效地完成探伤检测。2.3.4 按对破损的早期评估，完成新旧零件的分选。2.3.5 对零部件的制造工艺质量进行检验。2.3.6 在查出应力集中区的基础上，能更加客观地评价设备和结构的强度，及时地制订和实施提高其可靠性的各种措施。2.3.7 由于不要求清理金属表面，从而大大地减少了检测的费用（和其它方法相比）。3 检测仪表及其工作原理3.1 要确定各类零部件和设备上的应力集中区使用测磁计应力集中指示仪。这些仪器的工作原理是当铁磁感应线圈在靠近被检测工件表面附近的漏磁场中移动时，记录其电流脉冲。仪表说明书中有技术说明。3.2 可使用梯度计或磁强计作为仪表的传感器。3.3 漏磁场强度的测量误差取决于下列各因素：被测表面的清洁度；传感器距检测表面的距离；传感器沿被测表面的扫描速度；测磁计和传感器的灵敏度。考虑上述诸因素的测量误差能达到10%（基于试验数据）。上述误差水平降低了Hp值在绝对值上的测量精度，但实际上对于确定被测产品的应力集中区没有明显的影响。4 确定机械应力集中区的方法确定应力集中的方法在于测定被检零部件表面上的磁场强度Hp。这时是利用磁机械效应，按照这一效应，被测磁场的向量方向和要确定的残余应力的向量方向一致。使用仪表（测磁计）的传感器在被测表面上进行垂直扫描的方式去确定Hp的零值线。在这些零值线上Hp值改变成相反的符号且对应为残余应力集中线。接着，为确定残余应力集中区里的最大应力集中值，沿着这些Hp=0的线在离每条线两侧相等的距离Lk上，按Hp/Lk线段长度上的Hp值增减率。这时，残余应力集中区最大值对应于被测增减率最大值-Hp/Lk。本方法有条件地分成两个部分本方法的第一部分（4.1节）适用于结构外的单独零部件。这时我们面对的是在单独零件上的闭合磁场，且残余应力是由该零件的金属材质和制造工艺决定的（机加工、热处理以及其它加工质量）。本方法的第二部分（4.2节）适用于组装起来和在结构中的零部件。这时我们面对的是组装在一起的那些零部件整个结构的闭合磁场。这时的应力集中区，是由工作载荷作用下产生的残余应力和零件在原始状态下（工厂制造和安装后）就具有的残余应力共同决定的。4.1 确定单独零件的应力集中区图1是在测量硬度试件上确定其内部残余应力集中线的方法。用箭头来表示仪表传感器的移动图。此时，该传感器垂直于被测试件表面。用仪表传感器沿被测试件表面从左向右扫描的方式找出不少于O1，O2，O3三个点（见图la）的残余磁场强度Hp的零值线。用这三个点近似地画出Hp值的零值线。然后，为了找准Hp=0线在试件表面上的位置，用传感器在试件表面上沿图1a虚线所示箭头从下向上（或相反）进行扫描。这时Hp值接连从正到负或相反地改变着符号，仪表上给出声、光信号。这样就找出了Hp=0值的中间点和准确的磁场强度零值线。Hp值的检测结果以及Hp=0值线的位置如图1b所示。依所用方法这样确定的Hp=0线，便是试件内部残余应力集中线的所处位置。图2是在汽轮机汽缸法兰联接双头螺栓上确定其残余应力集中线的方法。在图2a上用箭头表示传感器沿双头螺栓母线的移动方向。至少要沿着1、2、3和4相互成90角的交叉母线上做Hp的测量（见A向视图）。沿双头螺栓表面母线扫描时找出那些Hp值改变相反符号且具有零值的点。随后将其表面上的Hp为零值的各点用油漆或粉笔加以标示，这条线就是被测双头螺栓内部残余应力集中线的位置（见图2a上的应力集中线）。如果用传感器沿螺栓母线扫描时仅找出一个或二个Hp为零值的点，这时就必需沿双头螺栓周边至少三个断面（-，-和-，如图2b所示）去检测残余磁化强度。传感器沿螺栓周边在-，-和-断面上的移动方向如图2b所示（“b”向视图）。这时要找出Hp零值的各点，然后用这些点在螺栓表面上标出应力集中线。接着，为了确定集中线附近的最大残余应力集中区，在几个部位上去确定Lk长度上的Hp值的增减率，也就是强度系数K。这里Lk为Hp值测量点到应力集中线的距离，图2b上是确定1和2两个检测点之间沿2Lk长度上Hp值增减率（Hp）的例子。这里1和2两个检测点距应力集中线的距离相同。靠近应力集中线的那一段部位上有最大增减率（Hp/2Lk）的地方，就是最大的残余应力集中区。4.2 确定设备零部件的应力集中区4.2.1 确定锅炉受热面管子应力集中区的方法该方法用图3加以说明。用仪表传感器沿管子外表面母线快速扫描，在垂直于管子轴线方向上测量漏磁场强度值（Hp）。当在管子表面上在接连不少于2个点上发现有Hp零值的部位，且两个点的距离在沿母线长度上等于（0.5-1）dH (其中dH 为管子的外径)，这些部位要用粉笔或油漆加以标注。试验表明，在那些管子达到等于（0.5-1）dH的那些临界尺寸的部位上，就有管子丧失稳定性时由于弯曲和扭曲载荷作用产生的机械应力集中区（见图3上的应力集中区）。确定了应力集中区后，就要在该区内具体地确定应力集中线及其强度。确定应力集中线和沿该线确定应力强度系数的方法如图4所示。用仪表传感器沿着应力集中区内的母线扫描时，找到O1,O2,O3,O4各点，在这些点上所测得的Hp值改变成相反的符号并具有零值（见图3）。传感器沿管子母线的移动方向以及测量Hp值并找出O1,O2,O3,O4各零值点的示意图，在图4a上用箭头和虚线表示。为了更加准确地确定的零值线，即相应的应力集中线，在管子表面沿图4b虚线箭头所示方向移动传感器。仪表传感器在管子表面这样往复移动时，在中间点上找出Hp的零值，然后再沿这些点和原先找出的O1,O2,O3,O4各点，在管子表面上标出Hp值的零值线（见图4a和4b上的应力集中线）。为了确定靠近应力集中线的应力强度，在距应力集中线两侧相同的距离Lk上，例如在1和2两点上（见图4a）测量Hp值，确定长度2Lk上的Hp值增减率。这一增减率，即按（Hp/2Lk）公式计算出的增减率，代表着管子表面上的残余应力强度系数。在找出管子最大应力集中区或者对具有应力集中区的若干管子进行比较的情况下，确定应力集中系数是必要的。应当指出，锅炉受热面管子上的应力集中区，通常是在多种类型卡阻，因而不能自补偿的情况下出现的，在有应力集中区的管子部位上，腐蚀、疲劳和蠕变过程发展迅猛，从而具有濒临破损的倾向。4.2.2. 确定焊接热影响区中残余应力集中的方法磁检测法，在其基础上确定焊接热影响区中残余应力，由图5说明并依下列方式进行。首先测量焊接热影响区中（部件A截面-和-）磁场Hp的法向分量，方法是依次沿管子周边，然后沿垂直于焊缝的管子轴线移动传感器1，如图5a所示。在被测管子表面部位上发现Hp值符号有跨零值的跳变时，要把Hp的零值线用粉笔或油漆标出。传感器1沿截面-周边通过时Hp值具有代表性的描述曲线图示于图5b。这样确定的Hp零值线，代表垂直作用于管子表面焊缝热影响的残余应力的集中。随后，为了沿该集中线确定残余应力的最大值，在焊缝两侧相等的距离上，如在20毫米处（详见部件A-和-截面）去补充测量Hp。如图5部件“A”所示，Hp最大值的测量结果在管子-截面的底部母线上得到，那里Hp=-30安/米。沿焊缝管子下部母线移动传感器1时，代表Hp值变化的应力图示于图5c。这样，表示作用于Lk部位上的残余应力最大值的系数K=Hp/Lk等于：Kmax=-(30安/米)/（20毫米）=1.5103安/米2这样算出来的Kmax值，代表作用于焊缝附近管子下部母线的最大残余应力集中区。4.2.3. 确定汽轮机转子套装叶轮轮毂上应力集中区的方法。该方法用图6加以说明。图6a用箭头1表示汽轮机转子套装叶轮轮毂的检测部位。图6b给出了沿叶轮轮毂周边Hp值的检测结果。所举例子中，于轮毂直径相对的两侧找出了两个应力集中区，其特点就是Hp值跳跃式的变化和极性的剧烈变化。为评价应力集中区里的应力强度，例如在轮毂的“A”点上，由在Lk长度上的被测Hp值的增减率来确定，于是；Hp=+36-15=51安/米。显然，我们所举的例子中在轮毂“A”点上的残余应力集中程度，要比“B”点大，“B”点上的Hp值=40安/米，但长度Lk都相同（参见图6b,此外，为了确定应力集中线在叶轮平面上的位置，要用仪表传感器对大轴附近园周进行扫描（传感器的移动方向在图6b上用箭头2表示）。而在找出Hp值等于零的O1和O2两个点之后，在叶轮平面上找出一个或两个Hp值为零值的中间点。这些中间点必须位于，例如叶轮一侧半径上A和O1两点之间和另一侧的B和O2两点之间。查找Hp零值中间点时，传感器移动的示意图类似于图4b所示。接着按中间点和原测定的点A，O1，B，O2，在叶轮表面上用粉笔或油漆标出Hp的零值线，这些线依据本方法就是应力集中线（见图6b）。应当指出，图6b上所示的应力集中线，实践中经常出现在汽轮机的叶轮上。其所以产生是由于在叶轮一定部位上，例如叶轮和大轴联接键槽处，轴向载荷过大所致。在长期运行的汽轮机上，就是沿着图6b部位所示的应力集中线出现疲劳裂纹。4.3 使用本方法的一般建议所讨论的例子中（4.1和4.2节）表明，使用本方法要解决的主要任务是，确定作为零部件和设备主要破损根源的残余应力集中区。为了解决设备零部件按质筛选的任务以及为了制定报废定量标准，必须制定专门的检测方法。这些方法应反映出和新零件制造工艺有关的或与设备和结构运行条件相关的一些特殊问题。例如，这种方法可用来检验机械零件和铸件的热处理质量。为此，要针对具体零件采用现行验证方法，制定基于检测金属残磁原理的定量和定性标准。在设备运行方面的另一种例子锅炉管子。在第4.2.1项中讲述了锅炉受热面管子上确定应力集中区的方法。曾指出，在管子上查明的应力集中区内，腐蚀、疲劳和蠕变过程发展得最为猛烈。但是，对管子应力集中区内该部位的破损种类（腐蚀、蠕变或疲劳）的确定标准却没有规定。为此，必须制定诊断锅炉受热面管子具体损伤种类的专用方法。第2.3.3条曾指出，本方法和其它无损检测方法相结合，能更有效地进行探伤和评估金属质量，这已为工业的和试验室的无数试验数据所证实。例如，图1所列举的硬度试件，沿应力集中线用标准方法所做的硬度测试同在远离应力集中线试件边缘上的测试相比较，应得出下述结论：直接在应力集中线上的硬度要比试件其余部位的硬度明显增大。使用本方法者可以独立地完成类似的试验，并确信我们所讨论例子的客观性。使用本方法能有效地确定应力集中区内是否有裂纹和其它缺陷。首先对设备表面无须任何清理和准备就能按残余磁场强度确定应力集中线。然后使用其它无损检测方法（超声、磁粉着色探伤）沿应力集中线和靠近应力集中线查明具体缺陷。本方法可用来完善制造厂的零部件的制造工艺。已具有在零件制造工艺中采用这种方法查明各类不同性质违规情况的经验。在设备检修时，本方法能完成诊断，检查维修质量和制定新的工艺。例如，对设备壳体上出现裂纹区内金属切样的检测。这时，用这一方法能检查裂纹区的应力场分布和按应力场确定裂纹的扩展方向和强度，从而相应地确定出必要的检修工作量。使用本方法能有效地评估运行设备与结构的寿命。长期运行的设备如何防止突发性的疲劳破损，至今仍是悬而未决的问题。这里所讨论的方法能够解决这个问题。根据应力集中区（金属腐蚀，疲劳和蠕变过程发展最为迅猛的部位）和根据专门方法所规定的具体评估标准，可从金属组织一级开始确定未来裂纹的大小和方向。最后，应当指出，本方法的应用范围总体上说是一种利用金属磁记忆原理的崭新诊断方法，应用范围是无限的。我们讨论的检测方法是诊断结构和设备强度的新方向，在这一方法中利用的一种条件是结构以其残余磁化强度形式显示其自身的薄弱点。“动力诊断”技术公司能依订货人的给定条件，制定专业化的检测方法。5 操作人员的熟练程度5.1 壳体部件进行的磁检测要取得可靠的结果，在很大程度上依赖于操作人员的技术熟练程度，经验和认真负责的工作态度。只允许经过无损探伤物理方法专门培训和随同有经验人员见习二个月以上的人员从事检测工作。5.2 要依企业现行安全规程，给操作人员发放从事检测工作的许可证。5.3 设备和零件磁检测工作总的领导，要由企业或安装单位熟练的工程技术人员负