金属磁记忆方法

金属磁记忆方法——设备和金属结构技术诊断的新方向

——发展与应用的简要总结、标准化问题

俄罗斯“动力诊断技术”公司国际机械科技发展研究会

金属磁记忆方法——这是一种新型无损检测方法，其基本原理是记录在工作载荷作用下设备和金属结构局部应力集中区域中产生的漏磁场。

这时，被检测对象漏磁场的量值反映导磁率张量，而这一张相当于荼载荷作用下形成的变形和应力张量。

单个零件、制品和焊接接头的漏磁场，相当于它们在地球磁场中制造和冷却后的残余应力张量。

零件、制品和焊接接头磁化强度沿着工作载荷造成的主应力作用方向的不可逆变化以及它们在地球磁场中制造和冷却后的残余磁化强度，我们称之谓金属的磁记忆。而基于利用这一记忆功能的新型检测方法，我们冠以金属磁记忆方法的名称。“磁记忆”这一术语以往就曾得到应用和普及，例如在矿石原始磁性研究方面。在实验室和工业试验中都已提示出金属对于拉伸、压缩、扭曲和周期载茶的磁记忆效应。磁记忆方法的特殊之点在于，其原理是基于利用在工作戴荷作用下形成之金属稳定位错滑移带区域中所产生的自有漏磁场。自有漏磁场作为铁磁材料各向异性的外部条件下对工作结构进行人工磁化，都不可能得到像自有漏磁场这样的信息源。只有在地球磁场这样的小强度外部磁场中，随受载荷结构的奕形能量才能大幅度超过外部磁场能量，也才能形成并获得这样的信息。

我们认为，金属磁记忆方法是技术诊断领域的全新方向。这是继场发射之后第二次利用结构自身发射信息的方法。同时，除可早期发现已发展缺陷之外，金属磁记忆方法还能补充提供关于被检测对象实际应力——变形状况的信息，并找出应力集中区域——损伤发展根源的形成原因。

金属磁记忆方法兼有无损检测功能和断裂力学所提供的潜力。因此，在对工业对象进行检测时，这一方法同其他方法相比较具有一系列重要优点。它不要求对被检测对象表面做专门准备（清理、打磨等），也不需要专门的人工磁化装置，因为可以利用设备和金属结构在制造和使用过程中的自磁化现象；可实现早期诊断，防患于未然；可完成大体积、大长度结构的检测。

人们知道，工作结构发生损坏的根源是应力集中区域，在这时腐蚀、疲劳和蠕交的发展最为剧烈。由此可见，判断应力集中区域是设备和金属结构诊断方面的一项重要任务。运行损坏发生之前的过程，是应力集中区域中金属性能的改变。相应地，反映设备和金属结构实际应力一变形状况的金属磁化强度也随之变化。

采用磁记忆方法进行设备和金属结构诊断的基本定性准则，是漏磁场法向分量零值所表征的应力集中区域。

为了对应力集中水平进行定量评估，要确定通过应力集中线（HP=0线）时的磁场Hp法向分量梯度（变化强度）

式中：K -由诮力集中区域中金属磁性变化强度表征的，因而也是由磁场H 变化强度表征的。应力强度磁秕数 --位于H =0线两侧同等线段L 上两检测点之间磁场H 的差数模量。

这时，，线段L 应垂直于H =0线。线段L对于H =0线的垂直位置，是由于这些线段同最大的拉应力方向相重合所决定的。

人们知道，任何一种新的无损检测方法在成为工业应用方法之前，都要经过几个发展阶段。大部分已知无损检测方法发展的第一阶段，一般须通过实验室条件下的试验，以确定其物理原理。后续阶段则包括：开发技术手段；制订检测方法；编制检测结果评价准则，并进而制订技术规范文件。

积极发展金属磁记忆方法的第一阶段可追溯到80年代中期。当时，按照发明人的建议，在甘斯科电力公司系

统的一系列电厂对锅炉管子在使用过程中出现的磁化现象组织了工业试验。这些试验的成果已在专著中加以阐述。发展的第一阶段是在工业条件下走过的，这也是磁记忆方法区别于其他方法的独特之处。

在工业试验过程中，判明了发电设备管子以及其他部件应力变形状况同其残磁分布状况和漏磁场之间的联系，而残磁和漏磁场在设备表面是容易测出的。

目前，在俄罗斯动力、石油化工、天然气等工业部门，以金属磁记忆方法为基础已制订并实际应用20多种指导性文件和检测方法。这些指导性文件和方法，是由“动力诊断技术”公司在实验室和工业试验基础上制订的。

例如，会同俄罗斯科学院金属物理研究所，对20号钢和12XIM 钢管子进行了金属磁弹性特性的试验，对管道工作中局部应力集中区域的磁偶极子形成条件完成了计算一分析研究。

会同梅利尼柯夫研究所，在电子显微镜《TESLABS-540》上，对于沿以磁记忆方法确定的10号和CT3CN钢扁平试样应力集中线的位错组织进行了研究。

会同俄罗斯科学院数学模型研究所和巴依柯夫冶金研究所，开发了物理--数学模型，借助这些模型并采用住处处理软件便可根据测得的漏磁场判定作用于管道中的实际应力分布状况。

会同中央机械制造工艺研究院，在单轴拉伸条件下和周期载荷条件下对于10、20和12SIM 钢扁平和管状试样进行了试验。

在带板、管焊接接头的同样试样上，对残余焊接应力分布状况进行了一整套试验，以对比磁记忆方法和其他应力与变形检测方法：

——会同莫斯科钢和合金研究所，在板、管试样上对于磁记忆方法和X射线的残余应力测量结果进行了比较；

——会同化工机械研究所，在管试样上对于磁记忆方法和应变测量方法的残余焊接应力测量结果进行了比较；

——会同德国萨尔布吕肯市IZEP无损检测研究所，在板试样上对于磁记忆方法和超声方法的焊接残余应力测量结果进行了比较。

在德国马格德堡焊接研究所，以磁记忆方法对带已知焊接缺陷的管状试样焊接接头完成了试验性测试，并联合莫斯科BT 研究所对电站长期使用的蒸汽管道管子进行了研究。

会同俄罗斯金属物理研究所和莫斯科能源研究所，在专用实验装置上通过管状试验研究了高温对于金属残磁变化的影响。

“动力诊断技术”公司的专家完成了对比不同方法测量结果的一整套实验室和工业试验：磁记忆与超声波，磁记忆与厚度测量，磁记忆与应力集中区的硬度测量，磁记忆与应力集中区的金属切片金相分析。完成的研究工作表明，磁记忆方法可用于为机械试验、金属组织试验和工艺试验选取代表性金属试样。在进行设备寿命评估时，选取代表性试样的工作尤为重要。

在1990-1999年期间，“动力诊断技术”公司完成的工业性检测包括：500多台蒸汽锅炉和水管锅炉，200台汽轮机和燃气轮机，200多台容器和装置，100多公里各种用途的管道，俄罗斯50多个工厂和公司机械产品的质量检测，铁路企业铁轨和轮对、桥梁结构，起重机械以及其他技术检测对象。

针对金属磁记忆方法制订的国家标准草案有：

金属磁记忆方法。术语、定义和代表符号。采用金属磁记忆的机构试验、金属组织试验和工艺试验用代表性试样选取方法。

应当指出，当前在俄罗斯和其他国家，说明并规定各种有损和无损取样方法的标准很多。例如，俄罗斯便拥有大约20个这样的标准。这些标准可确定取样机制，即可回答“如何做试样”的总是但在这些众多的标准中，却没有一个能够回答“要从哪里做金属取样”的问题。而申报审批的国家标准草案《利用磁记忆法选取代表性试样和试件方法》恰好可以回答这一问题。在工业和实验室所获得的丰富经验以及已制订的方法、指导性文件和科技报告的基础上，形成了整套技术规范文件，可据以鉴定磁记忆方法和检测仪表，考核检测人员资格。除指导性文件和方法外，技术规范文件还包括：对于培训和考核I、II、III级检测人员的要求；对于学习磁记忆方法专家技术知识的要求；I 、II、 III级检测人员培训大纲；检测仪表说明书和技术条件；检测仪表使用规则、校验和试验方法；检测结果计算机处理软件使用指导；教材。

“动力诊断技术”公司研制和指生产的专用仪表及其软件有：

应力集中磁测ИKNM…ⅠΦⅡ；带微处理器记录装置的应力集中磁测仪（4通道的）ИKH-M-4；磁记忆方法测量结果个人计算机处理软件，配合DOS和Windows95/98。

上列仪表已经过俄罗斯标准委员会批准。