錢(qián)正春，曾恒煒，劉驊毅，葛英飛，王 杰

(南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167)

壓力容器是一種能夠承受壓力的密閉容器，在化工、冶金等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[1]。壓力容器內(nèi)壁長(zhǎng)時(shí)間受到高溫、高壓、腐蝕性油氣介質(zhì)的作用，不可避免地會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂紋、氣孔、腐蝕等缺陷[2]，造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至危害生產(chǎn)安全。因此，需要采用合適的無(wú)損檢測(cè)方法，快速、準(zhǔn)確地對(duì)容器內(nèi)壁缺陷進(jìn)行識(shí)別與評(píng)估。目前，常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)如滲透、漏磁、渦流等只能對(duì)材料表面或近表面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，不易對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行評(píng)估[3]；射線檢測(cè)雖然可以用于識(shí)別材料內(nèi)部缺陷，但是操作過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備成本較高，且對(duì)人體有輻射危害[4]；超聲檢測(cè)對(duì)被測(cè)材料的表面粗糙度有一定要求，需要借助耦合劑，并且聲波的傳播會(huì)受到材料各向異性的影響，降低了檢測(cè)結(jié)果的可靠性[5]。此外，目前常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)壓力容器需要事先停機(jī)，抽干內(nèi)部的氣體、液體，檢測(cè)過(guò)程煩瑣且準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，故急需一種能夠從外部對(duì)壓力容器內(nèi)壁進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的便捷方法。

磁探針?lè)ㄊ且环N效率高、操作簡(jiǎn)便、成本低廉的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。以電氣工程中常用的硅鋼片為例，LOISOS等[6]論證了被測(cè)材料厚度和探針間距對(duì)電壓信號(hào)的影響，并成功計(jì)算了取向和非取向硅鋼板的磁性能誤差。SENDA等[7-8]證明了相鄰晶粒之間角度和晶界方向的變化是影響磁通密度分布的根本原因；CREVECOEUR等[9]對(duì)電硅鋼邊緣附近的局部磁滯特性進(jìn)行了研究，建立了相關(guān)正模型與反演模型。CHAZOTTES-LECONTE等[10]利用磁探針與霍爾傳感器的耦合效應(yīng)開(kāi)發(fā)出了新型探頭，對(duì)噴丸加工過(guò)程中的鐵磁性材料局部殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。

以上研究表明，磁探針技術(shù)具有評(píng)估鐵磁性材料磁特性的能力，尤其能夠?qū)Σ牧现械木植看盘匦赃M(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。目前大多數(shù)專家學(xué)者主要利用磁探針?lè)▽?duì)硅鋼的磁性能開(kāi)展系列研究，對(duì)鐵磁性材料缺陷檢測(cè)的研究較少。因此筆者采用磁探針?lè)◤慕Y(jié)構(gòu)鋼的正面對(duì)背部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分析不同區(qū)域的磁滯特性，從中提取合適的特征值用來(lái)量化表征缺陷開(kāi)口的位置和尺寸大小，以為使用磁探針?lè)ㄔu(píng)估壓力容器內(nèi)部缺陷提供指導(dǎo)。

1 磁探針?lè)z測(cè)原理

磁探針?lè)ǖ难b置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便快捷，可對(duì)鐵磁性材料的局部磁特性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。磁探針?lè)z測(cè)原理如圖1所示，在檢測(cè)過(guò)程中兩根探針與鐵磁性材料表面形成點(diǎn)接觸；在外加交變激勵(lì)磁場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部會(huì)形成渦流，從而在探針之間產(chǎn)生電勢(shì)差。在理想情況下，假設(shè)經(jīng)過(guò)1、2、3、4區(qū)域的磁通量均勻分布，并且試樣的厚度遠(yuǎn)小于探針之間的距離，此時(shí)磁探針測(cè)量得到的電勢(shì)差V12正好是變化的磁通量經(jīng)過(guò)1、2、3、4區(qū)域所引起的電勢(shì)差的一半，即

(1)

式中：S1234為點(diǎn)1、2、3、4圍成的面積；B1234為相應(yīng)區(qū)域中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；t為時(shí)間。

因此，通過(guò)測(cè)量磁探針兩端的電壓信號(hào)就可以評(píng)估材料局部區(qū)域的磁通密度以及磁特性[11-13]。

圖1 磁探針?lè)z測(cè)原理示意

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

磁探針?lè)ㄕw試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖及部分設(shè)備實(shí)物如圖3所示，該裝置主要包括磁場(chǎng)激勵(lì)、信號(hào)采集、運(yùn)動(dòng)控制等三個(gè)模塊。其中磁場(chǎng)激勵(lì)模塊主要由U型磁軛組成，磁軛兩端腳柱之間的距離為60 mm，中間空隙高為50 mm；在磁軛上均勻緊密纏繞了600匝直徑為0.21 mm的勵(lì)磁線圈，線圈連接到型號(hào)為OPA549的功率放大器上，信號(hào)發(fā)生器用來(lái)控制激勵(lì)磁場(chǎng)的波形(試驗(yàn)中為正弦信號(hào))，其頻率為3 Hz。信號(hào)采集模塊由一組磷青銅雙探針、探針夾具以及數(shù)據(jù)采集卡組成，其中探針夾具上有多個(gè)定位孔，可靈活調(diào)節(jié)探針針尖之間的距離，以適應(yīng)不同檢測(cè)環(huán)境；試驗(yàn)中將探針針尖之間的跨度設(shè)置為12 mm，并且保證探針排列方向與磁場(chǎng)磁化方向垂直。數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為USB-6356型高速采集卡，采樣頻率設(shè)置為10 kHz，采集到的電壓信號(hào)將傳輸至上位機(jī)并被保存。運(yùn)動(dòng)控制模塊可帶動(dòng)探針實(shí)現(xiàn)x、y、z三個(gè)方向上的自由運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)通過(guò)程序控制探針運(yùn)動(dòng)軌跡并完成信號(hào)采集。

圖2 磁探針?lè)ㄕw試驗(yàn)裝置

圖3 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖及部分設(shè)備實(shí)物

2.2 試驗(yàn)步驟

試樣材料為工程中常用的結(jié)構(gòu)鋼45鋼，試樣尺寸設(shè)置為100 mm×50 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高)，其化學(xué)成分為C，0.42%～0.50%；Si，0.17%～0.37%；Mn，0.50%～0.80%；Cr，≤0.25%；Ni，≤0.30%；Cu，≤0.25%。在試樣表面銑削出深度相同但是邊長(zhǎng)不同的正方形凹槽，分別標(biāo)記為#1～#5(#1～#5凹槽邊長(zhǎng)分別為10，15，20，25，30 mm)，用以模擬壓力容器背部不同大小的缺陷，試樣缺陷尺寸如表2所示，凹槽開(kāi)設(shè)的位置及尺寸如圖4(a)所示。在試樣無(wú)缺陷的表面上設(shè)置3條檢測(cè)線，磁探針檢測(cè)軌跡如圖4(b)所示。

圖4 試件結(jié)構(gòu)及檢測(cè)軌跡

采用磁探針?lè)ㄟM(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將試樣預(yù)先開(kāi)設(shè)有凹槽的缺陷面朝下水平放置于檢測(cè)平臺(tái)上，U型磁軛兩端腳柱放置在試樣無(wú)缺陷面上，夾具可帶動(dòng)磁探針在試樣無(wú)缺陷面進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，始終保持探針連線方向與檢測(cè)線方向垂直，并且使探針連線的中心分別沿著3條檢測(cè)線運(yùn)動(dòng)。每朝著y軸正方向移動(dòng)2 mm，采集一次探針電壓信號(hào)。重復(fù)上述步驟，對(duì)每塊試樣采用相同的方法進(jìn)行檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 結(jié)果預(yù)處理

圖5 磁探針理論信號(hào)與實(shí)際測(cè)量信號(hào)對(duì)比結(jié)果

(2)

(3)

式中：i為某條檢測(cè)線上的采集點(diǎn)位置；n為檢測(cè)線的序號(hào)；Brave(i)為剩磁平均值；Hcave(i)為矯頑力平均值，這些特征參數(shù)可以用來(lái)量化表征背部缺陷位置和尺寸。

圖6 試樣上某檢測(cè)點(diǎn)處的信號(hào)隨時(shí)間分布規(guī)律

圖7 試樣上某檢測(cè)點(diǎn)處的磁滯曲線

3.2 特征值提取

不同試樣測(cè)量提取的剩磁平均值Brave(i)分布規(guī)律如圖8所示，豎直方向上兩條紅色虛線之間的跨距長(zhǎng)度代表各試樣背部開(kāi)設(shè)的缺陷尺寸?？梢园l(fā)現(xiàn)背部無(wú)缺陷處的剩磁平均值Brave(i)幅值基本在一個(gè)較為平穩(wěn)的范圍內(nèi)波動(dòng)，一旦經(jīng)過(guò)缺陷位置，信號(hào)幅值立即迅速降低形成陡峭的波谷，并且波谷的寬度隨著缺陷尺寸的增大而增大。說(shuō)明從正面無(wú)缺陷一側(cè)測(cè)得的磁探針信號(hào)特征參數(shù)剩磁平均值Brave(i)與背部預(yù)設(shè)的缺陷尺寸具有良好的一致性。

圖8 不同試樣剩磁平均值Brave(i)分布規(guī)律

同樣地，不同試樣測(cè)量提取的矯頑力平均值Hcave(i)分布規(guī)律如圖9所示，豎直方向上兩條紅色虛線之間的跨距長(zhǎng)度依舊代表各試樣背部開(kāi)設(shè)的缺陷尺寸。在缺陷位置處的矯頑力平均值Hcave(i)信號(hào)幅值突然降低形成波谷特征，并且波谷寬度同樣隨著缺陷尺寸的增大而增大。由磁疇運(yùn)動(dòng)理論可知，鐵磁性材料在磁化過(guò)程中，磁疇壁會(huì)發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)[14]，從而導(dǎo)致磁信號(hào)的產(chǎn)生。由圖8和圖9可以看出，缺陷處的剩磁和矯頑力會(huì)急劇減小，這是因?yàn)槿毕萏幍蔫F磁性材料體積較小，故磁疇的總體數(shù)量相應(yīng)減少，使得最終整體的磁場(chǎng)強(qiáng)度亦降低，磁化過(guò)程中的能量損耗也隨之降低[15]。而磁滯回線的能量損耗與剩磁和矯頑力的大小密切相關(guān)[16]，在外加磁場(chǎng)不變的情況下，磁滯回線所包圍的面積越小，與坐標(biāo)軸形成的截距也越小，相應(yīng)的能量損耗就會(huì)降低，剩磁和矯頑力也必然降低。

圖9 不同試樣矯頑力平均值Hcave(i)分布規(guī)律

3.3 面積比

為進(jìn)一步確定磁探針測(cè)量的剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)與缺陷尺寸大小的定量關(guān)系，提出面積比這一新的特征參數(shù)，并繪制出某個(gè)試樣剩磁平均值Brave(i)的分布曲線(見(jiàn)圖10)，過(guò)曲線的最大值做水平直線與曲線所圍成的面積記為S1，過(guò)曲線的最小值做水平直線與曲線所圍成的面積記為S2，曲線最大值、最小值與相應(yīng)的位置坐標(biāo)最大值、最小值圍成的矩形面積記為S，S=S1+S2，則最終的面積比為Sr，Sr=S1/S；其中剩磁平均值Brave(i)曲線所圍成的面積比記為Srb，矯頑力平均值Hcave(i)曲線所圍成的面積比記為Srh。

圖10 某試樣剩磁平均值Brave(i)的分布曲線

分別計(jì)算出不同試樣的剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)曲線面積比Srb和Srh，并將橫坐標(biāo)按照1#～5#號(hào)試樣的順序繪制折線圖(見(jiàn)圖11)。可以發(fā)現(xiàn)，隨著試樣背部缺陷尺寸的增大，剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)的面積比值Srb和Srh也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。分別將兩個(gè)面積比Srb和Srh參數(shù)與試樣背部缺陷尺寸進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)良好的線性增加關(guān)系，即

Srb=0.004 254a+0.388 4

(4)

圖11 不同尺寸背部缺陷的特征參數(shù)面積比分布規(guī)律

Srh=0.017 19a+0.193 8

(5)

式中：a為缺陷的尺寸。

剩磁、矯頑力面積比分布曲線的擬合優(yōu)度R2值分別為0.835 3和0.986 1。式(4)與式(5)中的曲線擬合系數(shù)會(huì)隨著材料種類、激勵(lì)磁場(chǎng)參數(shù)、背部缺陷形狀的改變而發(fā)生變化，需具體問(wèn)題具體分析。另外，由于剩磁面積比Srb分布曲線的擬合優(yōu)度R2值比矯頑力面積比Srh分布曲線的擬合優(yōu)度值小，因此采用矯頑力面積比Srh這一特征值表征背部缺陷時(shí)的精度更高，在工程應(yīng)用中更為準(zhǔn)確。擬合公式可以為壓力容器背部缺陷的定量化評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

為證明擬合曲線的通用性，采用了兩塊背部缺陷為長(zhǎng)方形的試樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，記為試樣#6、試樣#7，缺陷尺寸分別為30 mm×20 mm和30 mm×25 mm(長(zhǎng)×寬)。采用探針沿缺陷寬度方向進(jìn)行相同步驟的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)方形缺陷試樣的剩磁及矯頑力分布規(guī)律依舊與缺陷尺寸密切相關(guān)。提取兩塊試樣的剩磁面積比Srb、矯頑力面積比Srh，其數(shù)值大小皆在擬合曲線的95%置信區(qū)間內(nèi)(見(jiàn)圖11)。根據(jù)式(1)可知，探針在掃描缺陷時(shí)，采集到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)與探針之間的缺陷截面尺寸密切相關(guān)。如果缺陷的截面尺寸沿檢測(cè)線方向發(fā)生變化(如橢圓、三角形等)，則產(chǎn)生的剩磁Brave、矯頑力Hcave分布曲線的波谷深度也會(huì)隨之變化，導(dǎo)致后續(xù)提取面積比Srb、Srh特征值時(shí)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。因此筆者所提出的特征值擬合曲線主要適用于沿檢測(cè)線方向截面尺寸不變的缺陷類型(如正方形、長(zhǎng)方形等)，未來(lái)還需要進(jìn)一步對(duì)沿檢測(cè)線方向截面尺寸發(fā)生變化的缺陷類型(如橢圓、三角形等)開(kāi)展磁探針檢測(cè)與評(píng)估。

4 結(jié)論

使用磁探針技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)鋼背部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，提取了剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)這兩個(gè)特征值用以評(píng)估背部缺陷的位置和尺寸。結(jié)果表明，特征參數(shù)在缺陷處的幅值明顯降低形成波谷，并且波谷的寬度隨著缺陷尺寸的增大而增大。

為了更加準(zhǔn)確地量化評(píng)估缺陷，最終提出了剩磁平均值Brave(i)和矯頑力平均值Hcave(i)曲線所圍成的面積比Srb和Srh這兩個(gè)特征值，并與背部缺陷的尺寸建立量化關(guān)系，擬合結(jié)果表明面積比與背部缺陷尺寸的大小成正比。結(jié)果可為壓力容器內(nèi)壁的缺陷檢測(cè)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。