胡 斌,沈功田

(中國特種設備檢測研究院， 北京 100029)

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磁記憶檢測技術在游樂設施上的應用

胡 斌,沈功田

(中國特種設備檢測研究院， 北京 100029)

磁記憶檢測技術在對鐵磁性構件的應力集中和缺陷檢測上具有獨特的優(yōu)勢。針對游樂設施的運行特點和失效模式，研究了其疲勞損傷的形成過程、表面開口缺陷動態(tài)發(fā)展的磁記憶信號的變化規(guī)律和階段性特征；分析并總結了靜止狀態(tài)下典型游樂設施宏觀缺陷的磁記憶信號特征。結合案例介紹了游樂設施的磁記憶檢測及評價流程。

磁記憶；游樂設施；動態(tài)擴展；應力集中

游樂設施是指用于經(jīng)營目的、承載乘客游樂的設施，據(jù)2015 年統(tǒng)計，我國擁有在用游樂設施1.9萬臺，大中型游樂園438個，平均年乘坐人數(shù)10多億人次。游樂設施是用于創(chuàng)造歡樂的載體，其質(zhì)量和安全關系到游客的生命和健康，一旦發(fā)生事故，會造成重大人員傷亡，社會影響極其惡劣。由于游樂設施的運動載荷、重載等運行模式和驚、險、奇的設計思路，使得其常見損傷主要為應力集中、疲勞、擦傷、表面開裂、埋藏缺陷的擴展等。我國游樂設施的檢測工作開展較晚，雖然近年來取得了進步，但由于歷史原因，采用的檢測方法多借鑒承壓設備和其他行業(yè)的檢測標準，難以滿足這種運動復雜、結構多樣、載荷多變設施的檢測要求，因此，游樂設施的安全運行急需一種能夠快速檢測出有安全隱患區(qū)域的方法。

磁記憶的概念最早由俄羅斯杜波夫提出，隨后在前蘇聯(lián)地區(qū)、東歐和中國開展了推廣應用工作。由于磁記憶檢測能評價應力集中且無需磁化，引起了國際無損檢測學界的極大關注，并在眾多領域開展了廣泛的研究和討論[1-5]：國際焊接學會(IIW)在“應力與變形檢測 ”課題中提出一項任務專門考察磁記憶方法的有效性,并與其他方法比較，擬定了20余項磁記憶方法的文件；德國聯(lián)邦材料研究所(BAM)也開展了大量的磁記憶檢測的應用研究。除俄羅斯外，ISO(國際標準化組織)也相繼頒布了磁記憶檢測標準[6-8]。

1 磁記憶檢測原理和國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 磁記憶檢測原理

磁記憶現(xiàn)象是指在弱磁場環(huán)境中，鐵磁性金屬材料在外界環(huán)境因素(載荷、溫度、機械加工或碰撞等)作用下，在局部區(qū)域產(chǎn)生不可逆的殘余磁性現(xiàn)象；表現(xiàn)為在該外界環(huán)境因素去除后，鐵磁性材料表面的局部磁場變化仍然保留。

磁記憶檢測原理是:在不施加人工激勵磁場的條件下，采用傳感器測量被檢件的表面磁場分布，通過獲得磁場突變信號來發(fā)現(xiàn)被檢件上可能存在的應力集中、材料劣化或材料損傷部位。

圖1為磁記憶檢測原理示意圖[9]。磁記憶檢測時，通過傳感器掃查被檢件表面磁場來獲取磁場分量(常用法向分量，也可為多維分量)的變化，經(jīng)過適當?shù)臄?shù)據(jù)處理和分析，來發(fā)現(xiàn)被檢件上存在的損傷或應力集中區(qū)域,圖中1為被檢件，2為損傷或應力集中區(qū)域，3為傳感器，4為放大器，5為表面磁場分布，6為表面磁場法線分量輸出的磁記憶信號。

圖1 磁記憶檢測原理示意

1.2 磁記憶檢測國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在磁記憶的概念被熟知后，國內(nèi)無損檢測學者進行了大量的研究工作。

2000年任吉林等編寫了介紹金屬磁記憶檢測的中文專著[10]，林俊明等[11]研發(fā)了國產(chǎn)磁記憶檢測設備。2001年仲維暢[12]提出了鐵磁性材料的自發(fā)磁化過程可通過該材料的磁化曲線和退磁曲線來確定的觀點，開始了對磁記憶檢測機理層面的研究和討論。2002年李路明、黃松嶺等研究了地磁場下應力集中導致的磁場畸變[13-14]，解釋了地磁場和環(huán)境磁場的影響規(guī)律[15]。任吉林、黎連修分別基于磁彈性效應的逆效應對磁場畸變的機理進行了闡述[16-17]。雷銀照提出了地磁場下受應力作用的鐵磁桿件的有效場表達式[18]。胡斌、鐘力強等研究了磁記憶信號產(chǎn)生過程中的影響因素及模型[19-21]。耿榮生在航空器磁記憶檢測方面展開了應用研究[22]。沈功田等研究了特種設備的磁記憶檢測技術及應用[23]。鐘萬里等開展了磁記憶在電力系統(tǒng)檢測方面的應用[24]。

由于磁記憶檢測技術具有快速、不打磨、直觀等特點，故在我國已得到廣泛應用，自2011年國家標準GB/T 26641-2011《無損檢測 磁記憶檢測 總則》頒布后，磁記憶檢測技術在我國的應用更加廣泛和深入。

2 動態(tài)損傷的磁記憶信號

游樂設施金屬結構的連接方式主要為焊接和螺栓連接。金屬部件一般以軋制件、焊接件、鍛件和鑄件為原材料，經(jīng)機械加工制成。軋制件、焊接件和鍛件主要采用碳素結構鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼或低合金結構鋼。此外游樂設施的最大特征就是設備的運行模式復雜多變，伴隨設備運行而產(chǎn)生的損傷類型也較為多樣化，典型的有疲勞損傷、沖擊損傷等，且存在缺陷的動態(tài)擴展。中國特檢院領導的課題組在國家項目的支持下，開展了游樂設施的磁記憶信號特征的研究[3]。

2.1 疲勞損傷的磁記憶信號

疲勞斷裂是游樂設施服役過程中常見的一種損傷模式。疲勞理論認為疲勞源于位錯運動，位錯通過運動聚集在一起，形成初始疲勞裂紋，在初始裂紋處又形成了新的應力集中，在這種應力集中和應力反復交變的條件下，微裂紋不斷擴展、形成宏觀裂紋。采用磁記憶檢測技術可通過檢測工件表面的磁場分布情況對其應力集中位置進行診斷，從而實現(xiàn)對疲勞等早期損傷的診斷。

通過在平板試件上進行三點彎的交變載荷試驗，測量不同加載周期后試件的磁記憶信號[25]，交變載荷作用下不同周期的磁記憶信號曲線如圖2所示。

圖2 交變載荷作用下不同載荷周數(shù)的磁記憶信號曲線

對圖2中所獲取的磁記憶信號進行峰-峰值處理后，獲得了如圖3所示的磁記憶信號與載荷周數(shù)的關系曲線。

圖3 磁記憶信號與載荷周數(shù)的關系曲線

結合疲勞理論和磁記憶檢測原理，可以對M-N曲線(M為疲勞區(qū)域磁場變化量，N為疲勞載荷周數(shù))進行解釋：在試件疲勞壽命的0～10%期間，表現(xiàn)為在微觀結構適應周期應力或應變的同時,位錯密度和結構的明顯改變，導致應力集中程度隨著N的增大逐漸變大，試件表面磁場的變化也逐步變大；在試件疲勞壽命的10%～90%期間，由于位錯的亞結構緩慢地發(fā)展并且日益變得不均質(zhì)，將導致最終使裂紋成核的穩(wěn)定滑移帶的形成，宏觀上沒有應力的明顯變化，所以試件表面磁場沒有明顯的變化；在90%～100%期間，微細裂紋迅速地擴展為宏觀裂紋，在試件表面形成較大的漏磁場。因此，試件疲勞區(qū)域表面磁場的變化量與N的關系圖與疲勞發(fā)展的三個階段非常吻合，在疲勞壽命的0%～10%間是一條平緩上升的曲線，在10%～90%之間是一個平臺，90%～100%是一條急劇上升的曲線，即M-N曲線是一種可行的疲勞狀態(tài)評價方法。

2.2 缺陷擴展過程的磁記憶信號 通過在含表面裂紋的試件上施加不同載荷的試驗，獲得了如圖4所示的不同載荷下磁記憶信號曲線[26](圖中H為磁場強度，dH/dx為磁場梯度)。

為了獲得裂紋活動與載荷的規(guī)律，將載荷與裂紋處磁記憶的峰-峰值進行處理，獲得了如圖5所示的加載過程中裂紋處磁記憶信號與載荷的關系曲線。由圖可見，磁記憶信號的絕對值在整個加載過程中隨著應力值的增大，尤其是裂紋未擴展前，由于應力值的增大，磁記憶信號逐步變大，一旦裂紋擴展，磁記憶信號會減小或者不變。因此，可以根據(jù)不同時期測量的磁記憶信號來判斷裂紋是否擴展，以及是否是活動性缺陷。

圖5 加載過程中裂紋處磁記憶信號與載荷的關系

2.3 小結 磁記憶檢測方法對應力集中導致的微細裂紋，尤其是裂紋萌生時的檢測非常靈敏，這對提高游樂設施的安全運行具有重要意義；疲勞損傷的磁場信號畸變證實了磁記憶檢測方法用于游樂設施等特種設備關鍵零部件早期預警的可行性，磁記憶檢測方法的工程應用將極大地提高特種設備運行的安全性。

3 典型缺陷的磁記憶信號研究

3.1 壓痕

壓痕是游樂設施軌道上常見的一種變形損傷，常規(guī)的檢測方法無法有效快速地對該類損傷進行檢測，造成該類損傷未能得到及時的關注，最終導致結構失效。

由于設備靜止時，壓痕部位為主要承載部位。設備長期運行后，壓痕部位會產(chǎn)生局部變形，此時的壓痕部位表面磁場由兩部分構成：一部分為形貌變化導致的磁場變化；另一部分為變形部位的磁記憶信號。壓痕的典型磁記憶信號如圖6所示。

通過大量壓痕的磁記憶信號分析和對比，發(fā)現(xiàn)該類信號特征較為明顯：磁記憶信號的畸變區(qū)基本與壓痕的位置吻合；磁記憶信號畸變是單向變化，不存在交變信號；壓痕處磁記憶畸變信號強度值與壓痕所承受載荷成正比；磁記憶畸變信號的絕對值一般在200 A·m-1以下。

圖6 壓痕的典型磁記憶信號

3.2 表面劃痕

表面劃痕是特種設備常見的一種損傷，多出現(xiàn)在軌道的使用和整體設備的裝配過程中，一般為非擴展性損傷。但在長期露天使用過程中，雨水等導致的在劃痕邊緣處出現(xiàn)的腐蝕擴展需要重點關注。此外，長期運行的環(huán)境易使得污垢堆積在劃痕的表面上，而常規(guī)表面檢測手段無法在不除去污垢時實施有效檢測，常有漏檢現(xiàn)象發(fā)生。

此外，為了研究檢測的有效性，課題組根據(jù)前期研究的結論，對隔著污垢層檢測出的懷疑有缺陷部位進行充磁檢測，從而獲得了更清晰的結論。圖7為充磁前后的檢測圖像。

圖7 表面劃痕典型磁場信號

通過比較充磁前后的檢測圖像和現(xiàn)場劃痕的尺寸，發(fā)現(xiàn)該類信號的特征為：磁記憶信號的畸變區(qū)能夠直接反映劃痕的部位和區(qū)域；磁記憶信號畸變呈現(xiàn)交變信號的特征，且與劃痕形貌所引起的畸變信號無關；充磁后的磁信號可以消除劃痕形貌對磁場的影響，但放大了磁場的畸變區(qū)域。

3.3 變形

變形部位的磁記憶信號比較特殊，其曲線特征與壓痕較為相似，但磁記憶信號的絕對值比較大；可以通過磁記憶信號的曲線走向來判斷變形區(qū)域，且磁記憶信號的絕對值與變形量有一定的關系，但非線性。變形部位典型磁記憶信號如圖8所示。

圖8 變形部位典型磁記憶信號

3.4 表面開口裂紋

表面開口裂紋是游樂設施常見的一種缺陷，多數(shù)為載荷作用下的開裂，由于存在局部的應力集中，所以裂紋處的磁記憶信號較為明顯和有規(guī)律。圖9為表面武器裂紋的典型磁記憶信號。

3.5 埋藏缺陷

埋藏缺陷的種類較多，按照類型可分為體積型缺陷和面狀缺陷。在工件表面測量的磁場一部分是以環(huán)境磁場為磁化場，是由于缺陷導致的結構不連續(xù)的漏磁場傳遞到檢測面的部分磁場；一部分為應力集中導致的磁記憶信號。由于環(huán)境場一般是較弱的地磁場，埋藏缺陷導致的漏磁場也較小，可以將工件表面的測量磁場等效為埋藏缺陷處的磁記憶信號，而磁記憶信號則與缺陷處的應力集中程度成正比，因此，可以依據(jù)磁記憶信號來判斷埋藏缺陷的類型。圖10為埋藏缺陷的A掃信號。

圖10 埋藏缺陷的磁記憶信號及驗證

3.6 小結

磁記憶信號的判別，首先要考慮到磁記憶信號的形成歷史，即磁記憶信號產(chǎn)生過程中的載荷變化和環(huán)境磁場的大小和方向，還應根據(jù)磁記憶信號的絕對值、峰-峰值和梯度值進行預判是否存在損傷部位，再采用其他無損檢測方法進行復驗來確定是否存在缺陷。磁記憶方法一般可用于面狀缺陷的檢測，但對于磁記憶信號出現(xiàn)異常而其他檢測方法未能發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷的情況，應予以關注。

4 游樂設施的磁記憶應用案例

4.1 框架結構的磁記憶檢測

圖11 某勇敢者轉盤的磁記憶檢測信號及其異常部位

4.2 軌道的磁記憶檢測

圖12 某神州飛碟的磁記憶檢測信號及其異常部位

4.3 小結

游樂設施的結構形式多樣，損傷模式也多樣化，即使同類型的結構，由于使用環(huán)境、客流量等原因導致的損傷模式和區(qū)域也各不相同。因此，應綜合考慮磁環(huán)境、載荷歷史等因素來確定磁記憶信號的評價。

5 結論

磁記憶檢測技術由于具有非接觸、無須打磨和除漆等優(yōu)點，在游樂設施的檢測上得到廣泛應用，尤其是對于游樂設施的關鍵部位和危險部位的檢測、安全評價方面有著廣泛的應用空間。

宏觀損傷的磁記憶異常信號多數(shù)能夠得到其他無損檢測手段的驗證，在缺乏對工件的磁特性認識時，可以用其他無損檢測方法來判斷缺陷的類型和尺寸。

磁記憶信號可清晰標識出疲勞損傷的整個發(fā)展過程，尤其是可以分出疲勞的三個階段，這一特點使得磁記憶檢測可以用于游樂設施的安全評價和早期預警；表面開口缺陷在不同載荷作用下的磁記憶信號變化規(guī)律，則可以用于監(jiān)控游樂設施損傷部位缺陷的演變過程。

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Application of Magnetic Memory Testing Technology on Amusement Equipment

HU Bin, SHEN Gong-tian

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Magnetic memory testing (MMT) technology has the unique advantages in ferromagnetic metal component on stress concentration and defect detection. According to the operation characteristics and failure mode of amusement equipment, the varying rules and the periodic characters of magnetic memory signal during the fatigue damage growing and surface crack dynamically propagating were investigated. The magnetic memory signal of different typical static defects was analyzed and the characters were summarized. The magnetic memory testing and evaluation process of amusement equipment are introduced by case analysis.

Magnetic memory；Amusement equipment；Dynamically propagation；Stress concentration

2016-08-25

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2015BAK40B04)

胡 斌(1977-)，男，高級工程師,主要從事電磁檢測技術的研究工作。

胡 斌，E-mail:hubin@csei.org.cn。

10.11973/wsjc201611004

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0021-06