基于金属磁特性焊缝及金属结构安全状态无损检测技术

NDTofweldand

metalstructuralstatebasedonmagneticcharacteristicmeasurementHennadiiBezliudko,RomanSolomakhaSpecialScientificEngineeringcompany,Kharkov,Ukraine;JackZhaoBeijingConstantTechnologyInc.,Beijing,China北京康坦科技有限公司基于金属磁特性的焊缝及金属结构的安全状态的无损检测技术WheremagneticNDTcanbeused磁性无损诊断评估的应用MagneticNDT矫顽力无损诊断评估FornewsteelworkNDTinmetallurgyandengineeringindustryIn-serviceinspectionofmetalfatigueandstress-strainstate金属疲劳和应力应变状态在役检测诊断评估InlocalareasforevaluationtheinfluenceofmaintenancefactorsForoverallstateevaluationofmetalconstructions,steelworksandparts123冶金工业设备制造工程在线无损诊断评估在役设备局部维护安全评估压力容器管道焊缝、金属构件及零部件的状态评估2Thesensetivityofmageticpropertiestomicrostructuralchangesinthematerial

材料结构敏感性------磁滞特性参数

众多研究表明：材料的磁滞特征与材料的微观结构变化相互对应，利用材料的磁滞特征对材料微观结构连续降级现象无损评估的技术是可行性。由于材料降级过程同时改变材料微观结构特征，因此材料降级过程可以被材料的磁滞行为所反应。材料微观结构特征与磁化过程两者之间关系的基本原理：在磁化过程中，磁畴壁的移动和磁畴结构受微观结构特征的影响：例如：一个高晶体缺陷密度将高度阻滞磁畴壁的运动。相反，材料的磁滞回线形状的变化反应了材料内部微观结构特征的变化。因此，我们可以用一种无损的方式，通过刻画描述和评估材料的磁滞行为，来识别材料的微观结构变化和监测材料机械性能的降级。材料的磁滞行为铁磁性材料磁滞回线不同时期磁畴壁的运动微观结构和机械应力影响磁滞回线形状材料微观组织结构对材料磁滞回线特征参数的影响材料所遭受应力对材料磁滞回线特征参数的影响微观结构和机械应力影响纵向磁致伸缩材料微观组织结构和机械应力对材料纵向磁致伸缩的影响

磁滞回线的特征参数主要包括：剩磁Br,矫顽力Hc,最大磁感应强度Bm,最大磁导率µmax,初始微分非磁滞磁导率µan，磁滞损耗Wh。其中以矫顽力Hc稳定性最好。磁滞特征参数无损评估新技术基于铁磁性材料的磁滞特征与微观结构变化的对应关系，矫顽力测量技术被用于金属材料机械性能、疲劳状态、应力应变状态评估。Magnetichysteresisloopofmetalsamplefromferromagneticmaterial(carbonsteel,iron,etc.)InformationmagneticcharacteristicsusedforNDT.用于无损检测评估的金属磁特性碳钢试样的磁滞回线金属失效前，不同的材料，矫顽力值可能增大2-4倍。8Magnetichysteresisloopchangesintheprocessoffatiguechangesinthematerial.(Coercivityincreases)铁磁性材料疲劳变化过程中磁滞回线的变化（矫顽力值增大）材料破损前的状态初始状态当前状态9EfficiencyofthemetalstatecoercivityNDT.Coercimeteryrepresentthemetalstateasaresultofjointin-servicefactors,reallytakingplaceintheconstruction:(damagestate)金属矫顽力状态评估功效矫顽力测量代表了铁磁性金属在综合操作因子作用下的疲劳状态材料矫顽力与力学性能加载图表11Typicaldiagramofloadingbymeasurementsofmagneticcharacteristic–coerciveforceНс.金属磁特性----矫顽力测量标准加载图表操作载荷下矫顽力值从初始值Нс0

到最终断裂值Нсв,将增大2-4倍;这样2-4倍的增量允许采用矫顽力来评估金属的疲劳状态.这种方法极为有效.通过测量当前矫顽力值Hc与初始状态与断裂前数值之差额，预测工件的已服役寿命和残余寿命。HcmaxHcmin12HcmaxHcmin碳钢在低周疲劳模式中不同循环应力下矫顽力---循环数（寿命）图表Increaseofthecoercivityvalueinaprocessofmicrodamagesaccumulationinthemetal.

铁磁性金属材料内部微观损伤累积过程中矫顽力的增长HcmaxHcmin14Allmajormetalfailuremechanismscanbetestedbythecoercivitymeasurements

矫顽力测量可检测评估铁磁性金属所有主要的失效机理HcmaxHcmin

材料的交货状态（成分和工艺确定）确定后，HcB值不变，为材料的固有性质。无论为何种失效（例如无论是通过拉伸还是通过低周疲劳或高周疲劳），矫顽力增加的速率可能不一样，但失效前的HcB值是一致的15Magneticandmechanicalpropertiesofsheets5..20mmthick,structuralsteel.5-20毫米厚钢板的磁性和机械性能对比表Table16MA多参数磁性分析设备低碳钢的磁滞回线特征参数高碳钢的磁滞回线特征参数同时测量多组磁滞回线特征参数：矫顽力、剩磁、最大磁感应强度、最大磁导率、磁滞损耗等多组磁性参数来分析评估材料的机械性能降级。

矫顽力测量设备便携式矫顽力设备：小巧紧凑，重量仅2-3公斤；操作简单：采集数据仅仅8秒钟；无需耦合剂、无需清理工件表面、通过油漆层测量数据，最大提离6毫米。手持式计算机与矫顽力主机通过蓝牙连接;软件能立即储存测量结果并显示给操作人员:数据图表、彩色分布、直方图平均值、离散值手持式计算机能够发送数据至服务器用于分析和储存数据库.矫顽力测量设备操作简单,数据采集仅仅需要8秒钟:

焊缝及其两侧热影响区每个钟表时针点的矫顽力值被测量,获得的图表如左图.管线焊缝的测量М–平均值D–

离散值矫顽力测量表征方式直方图

焊缝区域矫顽力值的分布可以采用如图彩色图表很好地表征出来,对技术人员来说十分方便;色彩越鲜艳的区域,金属疲劳状态就越严重;采用上表中矫顽力的平均值和离散值进行焊缝疲劳状态近似地分析,采用右图中矫顽力值的直方图来评估焊缝疲劳变化的动态累积.矫顽力材料从服役开始到结束柱状图的变化

直方图可以清楚的看出材料整体的一个疲劳状态（对于新材料，矫顽力一般都分布在Hc0附近，而对于即将失效的材料，矫顽力一般都分布在HcB附近。）金属常常处在极度疲劳状态,但却没有宏观的疲劳裂纹.矫顽力测量可以很好地监控金属的疲劳状态,允许进入金属疲劳诊断实践:从搜寻宏观疲劳缺陷到给出预防措施。M值增长2~3倍,D值增长3~5倍.

彩色分布图，可以明显的看到材料降级程度最大的位置。如左图所示：一个新焊缝的初始状态（图3a）和同样的焊缝经过10年服役后两种可能的状态，图3b和c。显然3a和3b不需要缺陷检测。3c必须进行检测，但只有1和2区域需要（图3c），该区域宏观缺陷已经出现，需要注意这里并进一步监测实际对象这一部分的矫顽力监测结果。快速扫查不合格焊缝，如图是一个核电站设施上的七个新焊缝的矫顽力测量评估，其中第1和第4个焊缝存在明显缺陷，而第7个焊缝为合格产品。核电站设施新焊缝矫顽力质量评估Beforeheattreatmentoftheweldedjoint焊缝热处理前矫顽力测量数据Thereisanopportunityofquantitativeassessmentofheattreatmentqualitybythedegreeofhomogeneityreachedoftheownweldmetalaswellascomparedtoitsbasicmetal.Afterheattreatmentoftheweldedjoint焊缝热处理后矫顽力测量数据Coercimeteringforqualitycontrolofheattreatment矫顽力在热处理质量控制上的应用通过测量焊缝修补区域与正常区域的矫顽力数据,获知该区域微观组织的非均一程度,即能对焊缝修补区域热处理质量进行定量评估.24碳钢焊缝服役期间的疲劳降级基体基体HAZHAZ焊缝初始状态失效前状态初始状态焊缝的矫顽力最高，热影响区的最低；服役过程中，焊缝的矫顽力变化不大，而热影响区的矫顽力急剧增加，并超过了焊缝。红色虚线表征理想焊缝。Petrochemicalrefinerypressurevesselregenerates再生器CircularweldedjointsLevelLevelofcircularweld11level,up12level,down平均值最大值26Fatiguestateofthebasemetalandweldedjoints容器焊缝及基体疲劳状态Нсmin=2,4Нсmax=6,5Нс=4,7СКО=0,7NumberofpointsforНсmeasurements–about1500.Hc6,52,41500个点矫顽力测量数据.27Cowperdomefatiguestatecomparisonbycoercivitymeasurementdata

热风炉穹顶矫顽力疲劳状态评估M=4,40

D=1,61M=4,23

D=1,31M=3,45

D=1,01Cowper№1Cowper№2Cowper№4发生爆炸28HydroElectricPowerCirclePlatesmeasurements水电站水道圆盘测量新圆盘使用12年CoercivitymeteringresultsoftwocircleplatesofpenstockinHydroPowerPlant水电站上水道圆盘矫顽力测量结果Circleplateafter12yearsinoperationNumberomeasurement168使用12年测试了168个数据NewCircleplateNumberofmeasurement108新圆板测试了108个数据CoercivitymeteringresultsoftwocircleplatesofpenstockinHydroPowerPlantStatisticalanalysis两个圆盘的矫顽力测量的统计分析Averegecoercivityvaluediffersforabout5%.Thus,for12yearsofoperationthe

sickleplatemetalbecomeworsetothislevel(5%).Thespeedofaccumulationoffatiguedegradationwas5%/12≈0,5%peryear.平均矫顽力值变化了5%。使用12年的圆板金属降级了5%。所以，疲劳累积降级的速度约为每年下降0.5%CoercimeterMultiplexerProbesManualtestingAutomaticmonitoringMovingrobotFixedMobileNOSCRAPINGandNOCONTACTFLUIDREQUIREDCoercimeteringmonitoringsystemofmetalfatiguestate32国内案例目前我们研究的矫顽力测量技术主要应用于以下几个方面：

1.大型钢结构疲劳状态磁性无损评估：包括起重机械、高压输电铁塔、桥梁钢结构、海洋平台、船舶制造、游乐设施、铁路钢轨及火车轮对等等。这些工程材料主要以疲劳失效为主。对每种钢结构常用材料进行拉伸和疲劳试验，在实验过程中采集Hc0、HcT、HcB及矫顽力与疲劳寿命的对应关系，建立数据库。然后对实际钢结构进行测量评估。（目前正在开展与交通运输部公路科学研究院桥梁技术研究中心合作桥梁钢结构（Q345）的疲劳状态磁性无损评估技术的课题。此外，目前正与北京科正平机电设备检验所合作磁性无损评估起重机械（以Q235为主）安全状态方面的课题。

对于母材试样，随着载荷的增加，矫顽力几乎是逐渐增大的；对于含焊缝的试样，热影响区和焊缝都有一个先下降后上升的过程，且最后热影响区的矫顽力几乎与焊缝持平。此外，三者的矫顽力达到8.0后均快速增大并断裂，由于速度太快，而步进值设的较大，所以两个试样均未采集到断裂前的矫顽力值。

2.乙烯裂解炉炉管渗碳损伤的磁性无损评估：主要材质：Cr25-Ni35和Cr35-Ni45。采集一系列服役不同时间的炉管，测量其渗碳层厚度和矫顽力值，构建渗碳层厚度与矫顽力的关系曲线，从而评估乙烯裂解炉炉管的渗碳损伤程度及预测剩余寿命。目前正与中国特种设备检测研究院合作相关课题。该课题采取了两种方案，一是上面提到的采集一系列服役不同时间的炉管，二是通过实验室渗碳模拟，得到不同渗碳层厚度的炉管。实验结果发现渗碳层厚度与矫顽力值具有良好的对应关系163.炉管渗碳层厚度——矫顽力数值拟合曲线

当炉管管壁渗碳层厚度在1mm以内时，矫顽力与渗碳层厚度服从一元二次方程：y=***********

3.高压管道应变时效磁性无损评估：材质为20（G）。技术路线：分别研究了热轧态、正火态、不完全退火态三种状态下20（G）材料的磁滞参数（矫顽力、剩磁、磁滞损耗及最大微分磁导率）与应变时效的关系。每种状态下的材料分别预设0、2.5%、5%、10%四种变形量，采集时效处理前后的磁滞参数，并进行冲击实验，从而得到构建20（G）时效脆化程度与各磁滞参数的对应关系。目前正与山东省特检院合作该项目。实验结果发现应变时效脆化与矫顽力、剩磁等磁滞参数具有非常好的对应关系。4.焊缝及热处理质量评估：采集焊接材料的Hc0、HcT、HcB及合格焊缝的矫顽力值，即可批量检测新焊缝，对于矫顽力值明显高出安全维护状态的焊缝要进行额外审查，这样便可快速扫查出不合格的焊缝，对存在焊接残余应力的焊缝可以进行焊后热处理，并用矫顽力设备进行复查，从而可以评估焊后热处理的效果。目前正与徐州重型机械有限公司合作WELDOX960钢焊接残余应力的磁性无损评估项目。未打磨打磨后

5.电站锅炉高温部件蠕变累积损伤磁性无损评估：主要材质：P91、P92高铬合金钢。试验研究表明P92钢在不同蠕变阶段，其微观结构特征变化和磁性参数变化具有良好的对应关系：蠕变的第一阶段，矫顽力和剩磁数值都增大；蠕变的第二阶段，矫顽力和剩磁数值都下降；蠕变的第三阶段，矫顽力数值增大，而剩磁数值下降。根据上述规律，通过测量材料当前状态下的磁滞参数的变化，即可判断材料目前的蠕变损伤程度