特殊鐵磁構(gòu)件的磁軛法檢測(cè)

馬桂振，張萃海，譚云華

(東方鍋爐股份有限公司，德陽(yáng) 618000)

磁粉檢測(cè)作為各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范常用檢測(cè)方法，在核電、鍋爐、化工壓力容器等設(shè)備制造檢驗(yàn)過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)TSG 11-2020 《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 規(guī)定，在可執(zhí)行磁粉檢測(cè)的情況下優(yōu)先推薦使用磁粉檢測(cè)。

磁粉檢測(cè)在鐵素體材料的檢測(cè)方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.4-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》 對(duì)磁軛磁粉檢測(cè)的極間距、磁化方向、磁化次數(shù)、磁化時(shí)間進(jìn)行了明確規(guī)定，并在附錄B(資料性附錄) 《各類(lèi)焊接接頭的典型磁化方法》 中列舉了平板對(duì)接接頭、板-板T型角接接頭、管-板角接接頭、管-管角接接頭等結(jié)構(gòu)的磁軛磁化方法。實(shí)際工作中遇到的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不止這幾類(lèi),不同的結(jié)構(gòu)對(duì)磁粉檢測(cè)磁化的要求會(huì)有極大的不同。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未給出一些特殊結(jié)構(gòu)(如焊道層間焊縫、焊縫反面清根區(qū)域、焊縫挖補(bǔ)區(qū)域、狹窄間隙焊縫的坡口和根部等)的磁化方法，只能參考標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)規(guī)范，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證的情況來(lái)選擇合適的磁化方法。觸頭法的應(yīng)用同樣受工件結(jié)構(gòu)的限制，由于其易打火燒傷工件，某些產(chǎn)品會(huì)明確禁止使用觸頭法。線圈法和繞線法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用不方便，相對(duì)來(lái)說(shuō)，磁軛法是實(shí)際應(yīng)用中操作靈活、使用方便的一種磁粉檢測(cè)方法。

文章將通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對(duì)特殊結(jié)構(gòu)磁軛法磁粉檢測(cè)的檢測(cè)工藝、檢測(cè)參數(shù)及操作規(guī)范進(jìn)行論述。

1 工件結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)分布分析

為描述方便，把平板對(duì)接接頭幾何結(jié)構(gòu)表述為一型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)；把角接接頭(包括板-板T型角接接頭、管-板角接接頭、管-管角接接頭)結(jié)構(gòu)表述為L(zhǎng)型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)；把文章中提到的特殊結(jié)構(gòu)(如狹窄間隙焊縫坡口面和根部區(qū)域)表述為U型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。

圖1 一型結(jié)構(gòu)示意

圖2 L型結(jié)構(gòu)示意

圖3 U型結(jié)構(gòu)示意

一型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：① 需磁化區(qū)域與兩個(gè)磁極在同一平面；② 磁場(chǎng)從磁極進(jìn)入工件后，沿直線傳播到下一磁極，磁場(chǎng)路徑變化極小，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨深度的增加逐步減弱；③ 磁極容易與工件表面貼合，磁化操作便捷，工藝簡(jiǎn)單。

L型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：① 磁化區(qū)域與兩個(gè)磁極均不在同一平面，兩磁極所在平面呈90°夾角；② 磁場(chǎng)從磁極進(jìn)入工件后，沿工件表面彎曲傳播到另一磁極，最大彎曲角度為90°，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨深度的增加逐步減弱；③ 磁極不易貼合工件表面，尤其是管管對(duì)接接頭，一旦貼合不好，檢測(cè)區(qū)域很難達(dá)到磁化要求，建議選用斜面接觸頭磁極。

U型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：① 兩個(gè)磁極分布于兩個(gè)獨(dú)立的表面，其最短連線被空氣介質(zhì)阻隔，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于馬蹄形磁鐵，需磁化區(qū)域的兩側(cè)結(jié)構(gòu)垂直于磁極連線，需磁化區(qū)域的底部部分平行于兩磁極連線；② 磁場(chǎng)從磁極進(jìn)入工件后，沿磁化區(qū)域表面彎曲傳播到另一磁極，最大彎曲角度為180°，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨深度的增加逐步減弱；③ 磁極容易貼合工件表面，看似磁化操作簡(jiǎn)單，但磁極所處的位置將決定磁化區(qū)域的磁場(chǎng)方向及不同磁化區(qū)域是否能夠?qū)崿F(xiàn)有效磁化，U型結(jié)構(gòu)的深度對(duì)磁路長(zhǎng)度的影響很大，磁路過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致需磁化區(qū)域不能得到有效磁化。

磁粉檢測(cè)的靈敏度與磁化方向有很大的關(guān)系，若缺陷方向與磁化方向近似平行或與工件表面的夾角小于20°，就難以被發(fā)現(xiàn)。文章針對(duì)圖3的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁軛法磁粉檢測(cè)研究，確定了磁極所處位置、磁場(chǎng)走向、磁路長(zhǎng)度的變化等因素對(duì)磁粉檢測(cè)檢出效果的影響，結(jié)合磁粉檢測(cè)的理論確定了最佳的磁化工藝。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

2.1 工件結(jié)構(gòu)選取

為提高驗(yàn)證試驗(yàn)的有效性，選定了深度較大的U型結(jié)構(gòu)(狹窄縫隙焊縫坡口)工件進(jìn)行試驗(yàn)，其外觀如圖4所示。該工件材料為15CrMoR，板厚為80 mm，坡口上部最大寬度為27 mm，坡口下部寬度為18 mm，坡口深度為60 mm。

圖4 U型結(jié)構(gòu)工件外觀

2.2 磁化區(qū)域選取

為便于記錄后續(xù)試驗(yàn)情況，將該工件劃分為3個(gè)區(qū)域，并確定6個(gè)方向的缺陷(見(jiàn)圖5)。圖5中的區(qū)域1為左側(cè)坡口區(qū)域，包括與坡口深度方向平行的缺陷①和與坡口深度方向垂直的缺陷②；區(qū)域2為右側(cè)坡口區(qū)域，包括與坡口深度方向平行的缺陷③和與坡口深度方向垂直的缺陷④；區(qū)域3為底部區(qū)域，包括與底部延伸方向平行的缺陷⑤和與底部延伸方向垂直的缺陷⑥。

圖5 磁化區(qū)域分區(qū)

2.3 試驗(yàn)器材

試驗(yàn)設(shè)備選用常見(jiàn)的可變極間距磁軛，型號(hào)為CDX-Ⅲ和CY-1B；選用A1-30/100型靈敏度試片和八角試塊進(jìn)行靈敏度驗(yàn)證。

2.4 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)?zāi)康臑椋孩?驗(yàn)證磁極位置與磁化區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系；② 驗(yàn)證磁極位置與缺陷檢出效果的關(guān)系；③ 驗(yàn)證磁極間距固定，磁極與工件的相對(duì)位置不同時(shí)，磁路路徑的變化對(duì)磁化強(qiáng)度的影響。

2.5 試驗(yàn)方法

根據(jù)NB/T 47013.4-2015標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)推薦的極間距為75～200 mm)，選擇上限極間距為200 mm，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)選擇下限極間距為50 mm，并驗(yàn)證這兩種極端情況。根據(jù)工件形狀，確定了11種磁極可能擺放的方式。兩種極間距與11種磁極擺放方式組合出22種磁化選擇。采用22種磁粉檢測(cè)方式對(duì)工件的3個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，采用八角試塊測(cè)定3個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布。

2.6 磁軛布置方式

圖6 磁軛擺放方式1

圖7 磁軛擺放方式2

圖8 磁軛擺放方式3

圖9 磁軛擺放方式4

圖10 磁軛擺放方式5

圖11 磁軛擺放方式6

圖12 磁軛擺放方式7

圖13 磁軛擺放方式8

圖14 磁軛擺放方式9

圖15 磁軛擺放方式10

圖16 磁軛擺放方式11

大極間距(200 mm)和小極間距(50 mm)磁軛的11種擺放方式如圖6～16所示(大極間距的擺放位置為位置1～11，小極間距的擺放位置為位置12～22)。擺放方式1的磁極連線垂直于坡口走向，磁極橫跨檢測(cè)區(qū)域，兩磁極與坡口邊緣距離相等；擺放方式2的磁極連線垂直于坡口走向，右側(cè)磁極緊貼右側(cè)坡口；擺放方式3的磁極連線垂直于坡口走向，左側(cè)磁極緊貼左側(cè)坡口；擺放方式4的磁極連線平行于坡口走向，磁極距離左側(cè)坡口邊緣25 mm；擺放方式5的磁極連線平行于坡口走向，磁極距離右側(cè)坡口邊緣25 mm；擺放方式6的磁極連線平行于坡口走向，兩磁極緊貼左側(cè)坡口邊緣；擺放方式7的磁極連線平行于坡口走向，兩磁極緊貼右側(cè)坡口邊緣； 擺放方式8的磁極連線與坡口延伸方向呈45°夾角，兩磁極與坡口邊緣距離相等；擺放方式9的磁極連線與坡口延伸方向呈45°夾角，左側(cè)磁極緊貼左側(cè)坡口邊緣；擺放方式10的磁極連線與坡口延伸方向呈45°夾角，右側(cè)磁極緊貼右側(cè)坡口邊緣；擺放方式11的磁極連線與坡口延伸方向呈45°夾角，兩磁極分別緊貼左右兩側(cè)坡口邊緣。

2.7 磁場(chǎng)分布及靈敏度驗(yàn)證

總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知，磁場(chǎng)主要沿磁極所在位置向深度方向分布，沿磁極連線方向的分量極小。

根據(jù)靈敏度試片的顯示情況可知，磁極遠(yuǎn)離坡口邊緣時(shí)，磁極所在平面磁場(chǎng)極弱，磁場(chǎng)主要沿工件深度方向分布；磁極位置距坡口邊緣較遠(yuǎn)時(shí)，區(qū)域1和 3坡口的表面磁場(chǎng)分布量極小。若要磁化區(qū)域1和區(qū)域2，需要將磁極緊貼在坡口的上表面邊緣。

2.8 理論磁路最短路徑計(jì)算

根據(jù)22種磁軛的擺放方式，將兩個(gè)磁極所處的位置作為三角形的兩個(gè)端點(diǎn)(端點(diǎn)A和端點(diǎn)B)，將兩磁極連線所在的，平行于工件厚度方向的平面與坡口根部的交點(diǎn)作為三角形的第三個(gè)端點(diǎn)，即端點(diǎn)C(見(jiàn)圖17)。確認(rèn)端點(diǎn)C即可得到磁路的最短路徑(AC與BC的距離之和)。

圖17 磁路最短路徑示意

2.9 試驗(yàn)結(jié)果分析

各位置的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示(表中○為無(wú)效，◎?yàn)樾Ч懿?，●為效果很?。由表1分析可知：① 磁極需靠近檢測(cè)區(qū)域坡口邊緣放置，才能保證兩側(cè)坡口有較好的磁化效果；② 最短磁路路徑小于200 mm才能保證坡口根部有較好的磁化效果；③ 兩磁極連線與坡口延伸方向的夾角大小決定了檢出缺陷的方向，小極間距、大夾角有利于與坡口深度方向平行的缺陷的檢出。

表1 各位置的試驗(yàn)結(jié)果

3 檢測(cè)工藝

對(duì)“U”型結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行磁軛法磁粉檢測(cè)時(shí)，在滿(mǎn)足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，還需注意以下幾點(diǎn)。

(1) 需根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的寬度和深度決定磁軛磁極的極間距，但不限于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域?qū)挾纫欢〞r(shí)，隨著深度的增加應(yīng)減小極間距，以縮短磁路路徑，保證磁路路徑長(zhǎng)度小于200 mm。

(2) 為保證檢測(cè)區(qū)域的有效磁化，磁極應(yīng)貼近檢測(cè)區(qū)域邊緣放置，在檢測(cè)特殊結(jié)構(gòu)工件時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)目的考慮磁極的位置。

(3) 應(yīng)根據(jù)檢測(cè)區(qū)域分析磁場(chǎng)在工件中的走向，確保檢測(cè)區(qū)域能實(shí)現(xiàn)近似90°的兩次交叉檢測(cè)，如果不能滿(mǎn)足兩次交叉磁化的要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加交叉次數(shù)和磁化次數(shù)。

(4) 凹坑深度越小，磁阻越小，檢測(cè)可靠性越高；深寬比越大，檢測(cè)難度越大。對(duì)深度較大，磁化難度大的區(qū)域進(jìn)行磁化時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)磁化時(shí)間、增加磁化方向、增大磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)檢測(cè)區(qū)域空間結(jié)構(gòu)狹窄的工件進(jìn)行磁軛法磁粉檢測(cè)時(shí)，為保證檢測(cè)的有效性，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)目的，充分考慮磁軛磁極的放置位置、磁路經(jīng)過(guò)的空間路徑方向及磁路路徑的長(zhǎng)短等因素，驗(yàn)證檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布和檢測(cè)靈敏度，制定專(zhuān)用檢測(cè)工藝并嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行檢測(cè)。