金属磁记忆法在钢结构检测中的应用

在钢结构检测新技术——金属磁记忆法摘要：金属磁记忆方法可快速发现铁磁性金属构件应力集中区及焊接缺陷，实现构件损伤的早期诊断。简述了该方法的背景、原理、特点、设备、标准现状，并展望了其在钢结构检测中的应用前景。关键词：无损检测；金属磁记忆法；应力集中；焊接缺陷引言钢结构由于材料组织缺陷、加工制作残余应力、结构不连续性、焊接残余应力等原因，不可避免地存在应力集中，这些应力集中部位在环境和外力的共同作用下容易诱发裂纹、疲劳损伤、应力腐蚀，进而导致构件发生脆性断裂。传统无损检测方法（超声、射线、磁粉、渗透检测等）只能检测构件中已发展成形的缺陷，而对于构件的早期损伤，特别是尚未成形的隐性不连续性变化，难以实施有效的评价。金属磁记忆法(MMM)是诞生于20世纪90年代的一种新的无损检测技术。该技术对铁磁性金属构件由于变形、疲劳、损伤产生的裂纹等缺陷可进行早期诊断，并且是目前唯一一种能以1mm精度确定构件应力集中区域的方法，因而在建筑、桥梁、航空、航天、铁道、电力、特种设备等领域有及其广阔的应用前景。金属磁记忆检测技术概述2.1金属磁记忆法的产生背景传统的无损检测方法的发展已有上百年的历史，但至今仍存在一些解决不了的问题。例如焊缝中焊接残余应力的大小决定了焊缝的可靠性，但传统无损检测方法不能测出其大小，且无法预测焊缝缺陷的发展。以DubovAA教授为代表的俄罗斯学者在1997年第50次国际焊接学术会议上首先提出金属磁记忆检测技术，并立即得到学术届的关注，逐渐发展成为无损检测领域的一门新兴学科。目前，国际焊接学会标准执行的欧洲规划《EN-RESS-应力和变形检测》中，已明确规定金属磁记忆法为切合实用的设备和结构应力变形状态检测方法。2.2金属磁记忆法的基本原理在地球磁场存在的条件下，承载的铁磁性金属构件中会产生应力集中，并在应力集中部位出现磁导率减小，构件表面的漏磁场增大的现象，铁磁性金属构件所具有的这一特性称为“磁机械效应”。由于这一增强了的磁场“记忆”着构件的缺陷或应力集中位置，故又称为“磁记忆效应”。理论与实践研究证明，铁磁性金属构件缺陷或应力集中区磁场的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp(y)改变符号且具有零值。实践中通过检测法向分量Hp(y)来完成检测。Hp(y)=0Hp(y)=0Hp(x)NS应力集中线构件图1铁磁性金属构件缺陷或应力集中区域磁场分布指示2.3金属磁记忆法的特点金属磁记忆法和传统无损检测方法相比，具有下列优点：①是目前唯一一种能以高精度(1mm)检测构件应力集中区域的无损检测方法。②既能检测宏观缺陷又能检测微观缺陷，并实现早期诊断。③无需专门的磁化装置就能对铁磁性构件进行可靠的检测。④不需对被检构件表面涂层进行清理或其他预处理。⑤探头提离效应小（提离20mm以内对检测结果影响不大）。⑥设备轻便，自带电源，有记录装置，操作简单，灵敏度高，重复性和可靠性好。金属磁记忆检测设备及标准3.1金属磁记忆检测设备及发展金属磁记忆检测设备有主机（诊断仪）、探头和辅助设备组成。典型的金属磁记忆诊断仪的原理如图2所示：计算机多路开关计算机多路开关信号放大温度传感器键盘键盘放大滤波温度传感器1放大滤波温度传感器1显示A/D显示A/D放大滤波温度传感器2放大滤波温度传感器2打印放大滤波温度传感器n打印放大滤波温度传感器nDC/DC变换器DC/DC变换器接口电路可逆光电编码器接口电路可逆光电编码器图电池2金属磁记忆诊断仪原理电池金属磁记忆检测仪的发展迅速，最先由俄罗斯动力诊断公司开发出了TSC-1M型和TSCM-2FM型应力集中磁检测仪和EMIC-M型裂纹磁检测仪（图3），并开发出配套的软件。TSC-1M型磁记忆检测仪TSCM-2FM型磁检测仪EMIC-M型磁检测仪图3俄罗斯动力诊断公司开发的部分金属磁记忆检测仪我国的相关仪器首先是厦门爱德森公司开发的EMS2000型金属磁记忆诊断仪及改进的EMS2003型智能磁记忆/涡流检测仪（图4），清华大学研制的磁阻检测系统。尽管各家检测装置不同，但检测方式相似。EMS2000型金属磁记忆诊断仪EMS2003型智能磁记忆/涡流检测仪图4爱德森公司开发的部分金属磁记忆检测仪3.2金属磁记忆检测的标准现状目前，俄罗斯、乌克兰、保加利亚、波兰等国已制定了相应的金属磁记忆检测方法和仪器标准。印度和澳大利亚也正大力推广该技术。2003年俄罗斯采用了两个国家标准和一个协会标准，如Гостр52012-2003《无损检测、金属磁记忆方法、名词定义和代表符号》，Гостр52005-2003《无损检测、金属磁记忆方法、通用规范》，стрнтсо000-04《设备和结构的焊接，金属磁记忆方法（金属磁记忆检测）》。стрнтсо000-04已由国际焊接研究所建议作为ISO国际标准。近年来，我国也已经开始对这项技术进行研究和应用，但还未出台相应的国家或行业标准。金属磁记忆法在钢结构检测中的应用4.1金属磁记忆检测方案在实际检测过程中，金属磁记忆检测技术的实施可以采用以下方案：（1）对所有需要探伤的部位采用磁记忆设备快速扫查，对其诊断出的高应力集中部位作为常规无损检测的重点，以确保重要部位不漏检。（2）对重点工程和重要部位的磁记忆诊断结果，可存档作为定期抽查的参展依据，对在役构件焊缝高应力部位进行磁记忆诊断监控，确定应力是否扩展，可代替常规无损检测或作为一种补充。4.2焊缝质量的检测金属磁记忆方法能用漏磁场参数对焊缝质量进行定性和综合评估，用漏磁场梯度和应力集中强度系数来查找焊缝缺陷。4.2.1检测步骤（1）仪器校准先对仪器进行归一化处理，以消除地磁场对检测结果的影响。（2）扫查检测将探测器垂直置于焊缝表面，分别沿焊缝金属周边移动，然后再横切焊缝移动，当检测到漏磁场的法向有过零值点，且存在较大的漏磁场梯度时，在该处作好标记。（3）缺陷复检用超声、射线、磁粉、渗透等方法对作好标记的焊接接头部位进行复查，记录检测结果。4.2.2检测结果处理焊缝质量用漏磁场Hp沿焊缝表面及热影响区的分布特性加以评估。漏磁场短程多次跳变和过零值是我们要查找的应力集中区。相邻两检测点间的漏磁场变化值│ΔHp│即漏磁场的梯度值称为应力集中强度系数。(1)式中—传感器取样长度，mm。从式(1)中找出最大值，表示焊缝的最大应力－应变区。接着求出焊缝上漏磁场变化梯度的平均值，即(2)式中—在区间上两相邻检测点之间磁场Hp的变化；n—应力集中区的数目。通常把焊缝质量分为两类，即合格(Kinmax≤Nkav)和不合格（Kinmax≥Nkav）。N值表征焊缝金属的强度性能，它由焊接工艺，钢材牌号及焊接接头规格种类决定，其取值范围为1～5。为了查明焊缝横向上的应力应变状态，要对比两个热影响区磁场的梯度值，补充求出在焊缝宽度的基准距离上磁场的最大变化。4.3螺拴质量的检测钢结构中应力集中比较严重的紧固螺栓，可能存在磁粉、渗透等方法不能检出的缺陷，磁记忆法可检测出螺栓最大应力集中部位，及时处理应力集中比较严重的紧固螺栓，预防脆性断裂事故。紧固螺栓的磁记忆扫查检测通常如下进行：首先，沿螺栓表面母线扫查，若发现螺栓中存在Hp符号向相反方向变化，找到一些零值点，对螺栓表面上Hp=0的点作好标记。如果发现螺栓表面存在一、两个Hp=0的点，必须对螺栓进一步检验。其次，进一步检验沿着螺栓的横截面圆周展开。横截面周向检测时，必须三个以上的剖面测量剩余磁化强度，传感器沿横截面圆周扫查，测出Hp=