鄭 陽(yáng),沈功田,譚繼東,張宗健

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

鐵磁性材料廣泛應(yīng)用于鐵路交通、橋梁建筑、航空航天和特種設(shè)備等行業(yè)的設(shè)施與裝備。這些設(shè)施與裝備關(guān)鍵承載部件在服役過(guò)程中,其應(yīng)力狀態(tài)對(duì)使用安全性和壽命有重要影響。

應(yīng)力主要有制造導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和服役過(guò)程中承受外載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力兩類,其測(cè)量是工程檢測(cè)的重要內(nèi)容之一。一方面,零部件制造過(guò)程中常因鍛壓、切削、焊接等加工過(guò)程導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]。殘余應(yīng)力的存在易使零部件發(fā)生變形而影響裝配精度及整機(jī)性能[2],易導(dǎo)致其在服役過(guò)程中加速腐蝕及蠕變,嚴(yán)重時(shí)將使部件出現(xiàn)裂紋等[3-4],常需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),以確定殘余應(yīng)力消除水平。另一方面,設(shè)備服役過(guò)程中,承壓部件所受實(shí)際外載荷常為關(guān)注的重點(diǎn),如管道、壓力容器等承壓設(shè)備是按照特定的壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)[5],在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要對(duì)部件的實(shí)際應(yīng)力情況進(jìn)行檢測(cè),判斷其是否符合設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力值。此外,在部件安裝及使用過(guò)程中,還存在由裝配應(yīng)力、地基不均勻沉降、結(jié)構(gòu)損失等原因而導(dǎo)致的局部過(guò)載[6],局部過(guò)載容易引發(fā)結(jié)構(gòu)失效,及早發(fā)現(xiàn)過(guò)載部位,可避免由失效導(dǎo)致的安全事故及帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此材料應(yīng)力檢測(cè)與評(píng)估在工程實(shí)際中有巨大需求。

常用的應(yīng)力檢測(cè)與評(píng)估方法有應(yīng)變片法、鉆孔法、超聲法、X射線衍射法、磁巴克豪森(MBN Magnetic Barkhausen Noise)法等[7-8]。其中應(yīng)變片法測(cè)量最為準(zhǔn)確,測(cè)量時(shí)應(yīng)變片貼于被測(cè)部件表面,當(dāng)材料受應(yīng)力發(fā)生形變時(shí),通過(guò)應(yīng)變片的形變獲取變化應(yīng)力的大小,但其只能對(duì)粘貼部位應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè),不便進(jìn)行大面積區(qū)域應(yīng)力分布的掃查。鉆孔法通過(guò)在被測(cè)部件上鉆取小孔釋放應(yīng)力,通過(guò)小孔的形變量獲取應(yīng)力大小,屬于有損檢測(cè)的方法,對(duì)于重要部件,所鉆取小孔將是潛在的失效隱患。X射線衍射法是目前工程現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)力檢測(cè)方法,也是目前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量較為準(zhǔn)確和可靠的方法,但X射線對(duì)人體有害且設(shè)備較為龐大,攜帶不便,安裝耗時(shí),一次安裝只能檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力,檢測(cè)效率低。工程中迫切需求便捷高效的應(yīng)力檢測(cè)與評(píng)估方法。磁巴克豪森法具有快速、便捷的優(yōu)點(diǎn),且檢測(cè)靈敏度、準(zhǔn)確度高,易于對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分布掃描檢測(cè),適應(yīng)了上述工程需求。

在磁巴克豪森儀器方面,國(guó)外已有多個(gè)公司開(kāi)發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品,主要有芬蘭StressTech和德國(guó)弗勞恩霍夫研制的磁巴克豪森儀器,這些儀器在齒輪、曲軸等制造檢測(cè)中獲得了大量應(yīng)用,但針對(duì)在役設(shè)備的應(yīng)力檢測(cè)應(yīng)用較少。國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)成熟的的商業(yè)磁巴克豪森檢測(cè)儀器[9]。

本文研制了磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀,主要包括傳感器、儀器主機(jī)及軟件系統(tǒng),研究了材料應(yīng)力檢測(cè)的基本方法并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,針對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的一臺(tái)球形儲(chǔ)罐焊縫打壓過(guò)程中的應(yīng)力檢測(cè),開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 磁巴克豪森檢測(cè)材料應(yīng)力的原理

鐵磁性材料內(nèi)部相鄰區(qū)域內(nèi),原子磁矩排列整齊、磁化方向一致的“小區(qū)域”稱為磁疇,磁疇與磁疇之間的過(guò)渡區(qū)域稱為磁疇壁,如圖1所示。

圖1 磁疇結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 磁化曲線

在對(duì)鐵磁性材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)磁化時(shí),磁疇磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),磁疇壁發(fā)生位移,整個(gè)磁化過(guò)程可分為可逆磁化和不可逆磁化。如圖2磁化曲線示意圖,在Ⅰ區(qū),磁場(chǎng)強(qiáng)度H較低,當(dāng)外加場(chǎng)強(qiáng)退回到零時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B也為零,此過(guò)程主要為可逆磁疇壁的位移;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加到Ⅱ區(qū)時(shí),磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而快速增加,此過(guò)程發(fā)生不可逆疇壁位移,釋放出磁巴克豪森信號(hào);當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加到Ⅲ區(qū)時(shí),主要發(fā)生磁矩轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增加,磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加不大,趨于飽和水平[10]。在使用連續(xù)交變磁場(chǎng)磁化過(guò)程中,如圖3磁滯回線所示,放大后可發(fā)現(xiàn)曲線為非光滑,呈階梯狀,這是磁巴克豪森所引起的。

圖3 磁滯回線

研究表明影響磁巴克豪森信號(hào)能量排放的主要因素是不可逆磁疇壁的移動(dòng)[11-12]。應(yīng)力的存在將影響磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)及疇壁移動(dòng),拉伸應(yīng)力將使磁巴克豪森信號(hào)能量增加,而壓應(yīng)力則相反,即應(yīng)力與磁巴克豪森信號(hào)具有良好的相關(guān)性[13]。通過(guò)建立應(yīng)力與磁巴克豪森信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量標(biāo)定,可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面應(yīng)力的評(píng)估。需要注意的是材料成分、熱處理狀態(tài)等因素會(huì)對(duì)磁巴克豪森信號(hào)產(chǎn)生影響,在進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量標(biāo)定時(shí),應(yīng)盡量保證標(biāo)定試樣與被檢部件材質(zhì)、熱處理狀態(tài)相同。

2 磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀開(kāi)發(fā)

2.1 傳感器

傳感器作為整個(gè)磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀的核心部件,其勵(lì)磁和接收MBN能力直接影響原始磁巴克豪森信號(hào)能量的大小和信噪比。磁巴克豪森信號(hào)產(chǎn)生的必要條件是磁疇的跳轉(zhuǎn),在實(shí)際中常采用電磁感應(yīng)的方法進(jìn)行勵(lì)磁,即在線圈中通以交變電流產(chǎn)生動(dòng)態(tài)交變磁場(chǎng)。在前人的研究中,對(duì)材料進(jìn)行交流磁化的一種方法是將線圈直接纏繞于被測(cè)試件上進(jìn)行勵(lì)磁,該方法操作復(fù)雜,不便于測(cè)量MBN信號(hào),對(duì)試件形狀有特定要求。另一種方法是將線圈纏繞在磁導(dǎo)率較大的軟磁性材料上,由該軟磁材料與被測(cè)試件組成閉合勵(lì)磁回路,對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行磁化,此方式安裝方便。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求,本文采用后一種方式設(shè)計(jì)制作傳感器。如圖4所示,傳感器由勵(lì)磁部分和接收部分組成。其中,勵(lì)磁部分由U型磁軛纏繞線圈構(gòu)成,接收器由鐵氧體圓棒纏繞線圈組成。檢測(cè)時(shí),接收器置于U型磁軛中部且一端與被測(cè)材料表面接觸,勵(lì)磁線圈中通以一定頻率的正弦交流電,產(chǎn)生交變磁場(chǎng),并通過(guò)U型磁軛對(duì)被檢部件檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行磁化,激勵(lì)產(chǎn)生MBN信號(hào),并被接收器接收。

傳感器勵(lì)磁頻率5 Hz～500 Hz,勵(lì)磁強(qiáng)度為0.1 T～2.0 T可調(diào)。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 儀器主機(jī)

開(kāi)發(fā)的磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)如圖5所示,便攜式磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀實(shí)物如圖6所示。便攜式儀器系統(tǒng)采用磁巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)嵌于便攜工控機(jī)的結(jié)構(gòu),具有良好的穩(wěn)定性與抗干擾性,同時(shí)具備便于軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與擴(kuò)展的系統(tǒng)環(huán)境。磁巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)主要由主控制單元、波形發(fā)生器、低頻連續(xù)功率放大器、傳感器、小信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成。

圖5 磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀原理圖

圖6 便攜式磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀

主控制單元控制作為整個(gè)系統(tǒng)邏輯硬件控制部分,包括控制激勵(lì)波形類型、頻率、幅值,設(shè)置低頻連續(xù)功率放大器倍數(shù),控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)磁巴克豪森信號(hào)進(jìn)行采集并與上位機(jī)通訊。

波形發(fā)生器根據(jù)主控單元指令,可產(chǎn)生用于激勵(lì)傳感器工作的波形。低頻連續(xù)功率放大器將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大,以達(dá)到檢測(cè)時(shí)所需的磁場(chǎng)大小。小信號(hào)放大器用于將濾波后得到的有用磁巴克豪森信號(hào)進(jìn)行放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將激勵(lì)電流和磁巴克豪森信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào),經(jīng)主控制單元最終傳入計(jì)算機(jī)。

2.3 檢測(cè)軟件

磁巴克豪森應(yīng)力評(píng)估軟件主要功能為控制激勵(lì)系統(tǒng)的工作、對(duì)采集回信號(hào)進(jìn)行處理、提取特征值和完成對(duì)應(yīng)力的標(biāo)定與評(píng)估。主要包含參數(shù)設(shè)置模塊、頻譜顯示模塊、應(yīng)力標(biāo)定模塊和信號(hào)顯示模塊。

如圖7磁巴克豪森應(yīng)力評(píng)估軟件主界面,①參數(shù)設(shè)置模塊包括激勵(lì)參數(shù)(波形、幅值、頻率、功率放大倍數(shù))設(shè)置,信號(hào)采集參數(shù)(采樣頻率、采用長(zhǎng)度、通道量程)設(shè)置,濾波參數(shù)(濾波器類型、通帶與止帶頻率、衰減分貝)設(shè)置等。由于不同材料電磁響應(yīng)不同,通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)與接收系統(tǒng)參數(shù),使儀器系統(tǒng)適應(yīng)不同材料,到達(dá)良好的應(yīng)力評(píng)估效果。

圖7區(qū)域②和③為頻譜顯示模塊,可實(shí)時(shí)顯示原始信號(hào)頻譜、濾波器頻譜響應(yīng)曲線及濾波后頻譜。通過(guò)實(shí)時(shí)信號(hào)頻譜可獲取系統(tǒng)的工作狀態(tài),干擾信號(hào)頻譜以及信號(hào)處理對(duì)信號(hào)的影響。

圖7區(qū)域⑤和⑥為信號(hào)顯示模塊,可實(shí)時(shí)顯示原始信號(hào)與處理后原始信號(hào)。此外,還可切換顯示實(shí)時(shí)測(cè)量的特征值,包括均方根、平均值等,用于應(yīng)力標(biāo)定時(shí)使用。

圖7區(qū)域④為應(yīng)力標(biāo)定曲線模塊,建立應(yīng)力標(biāo)定曲線,利用標(biāo)定曲線可進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估。

圖7 磁巴克豪森應(yīng)力評(píng)估軟件主界面

如圖8所示軟件控制流程圖,儀器開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,檢測(cè)軟件各模塊是否正確載入,調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序檢測(cè)硬件是否可正常通信。初始化完成后進(jìn)行模塊自檢,主要包括激勵(lì)模塊是否可正常輸出預(yù)期電壓,接收模塊中是否能正常放大信號(hào)。

圖8 軟件控制流程圖

模塊自檢合格后即可正常工作,此時(shí)等待用戶下發(fā)指令,包括激勵(lì)電壓、波形、頻率參數(shù)、開(kāi)始、停止指令。系統(tǒng)接收到用戶開(kāi)始指令后,激勵(lì)模塊發(fā)射出指定信號(hào)激勵(lì)傳感器工作,同時(shí)接收模塊對(duì)產(chǎn)生的磁巴克豪森原始信號(hào)進(jìn)行放大,激勵(lì)的電流信號(hào)和原始磁巴克豪森信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集器進(jìn)行采集,送入上位機(jī)進(jìn)行處理。軟件對(duì)接收的磁巴克豪森信號(hào)進(jìn)行濾波處理,結(jié)合激勵(lì)電流信號(hào)提取指定周期數(shù)量的磁巴克豪森信號(hào)進(jìn)行特征值計(jì)算與提取。通過(guò)所得到的特征值與輸入應(yīng)力值進(jìn)行標(biāo)定,建立應(yīng)力與MBN特征值標(biāo)定曲線。最后通過(guò)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量,得到MBN特征值與標(biāo)定曲線對(duì)比即可得到應(yīng)力值。

圖9 信號(hào)頻譜圖

2.4 MBN信號(hào)及特征量

對(duì)所采集的MBN原始信號(hào)進(jìn)行帶通濾波,帶通頻率段為1 kHz～400 kHz。濾波后信號(hào)頻譜如圖9所示,信號(hào)中心頻率為75 kHz,頻率由中心向兩邊逐漸減小,頻譜干凈無(wú)雜波。

對(duì)于MBN信號(hào)如圖10所示,MBN波包數(shù)計(jì)算方法,以每激勵(lì)半周期為時(shí)間分割點(diǎn),以任意點(diǎn)伏值絕對(duì)值最小值作為分割起點(diǎn),將磁巴克豪森信號(hào)分割為若干信號(hào)包,圖10中包含4個(gè)信號(hào)包,每個(gè)信號(hào)包形貌一致,信號(hào)峰值時(shí)間一致,但信號(hào)幅值有微小差異,由于信號(hào)為若干磁疇跳轉(zhuǎn)的結(jié)果,為不連續(xù)信號(hào),信號(hào)整體表現(xiàn)出良好規(guī)律性。MBN特征值計(jì)算方法,提取指定數(shù)量波包信號(hào),對(duì)這段信號(hào)的每一點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算獲取均方根值作為信號(hào)特征值,計(jì)算公式如式(1):

(1)

圖10 MBN信號(hào)圖

2.5 檢測(cè)儀關(guān)鍵性能測(cè)試

對(duì)所研制磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀的主要性能進(jìn)行了測(cè)試,包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、傳感器頻域穩(wěn)定性、重復(fù)性等性能指標(biāo)。

在對(duì)本儀器系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試時(shí),將傳感器與儀器連接好。如圖11所示,為排除人為導(dǎo)致磁軛與工件表面接觸不一致對(duì)測(cè)試的影響,將傳感器與試件通過(guò)夾持裝置固定。測(cè)量不同激勵(lì)頻率時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 傳感器安裝位置圖

圖12 50 Hz時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試曲線

如圖12所示系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試曲線,隨著測(cè)量次數(shù)增加,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(Relative Standard Deviation)逐漸減小至趨于水平。50 Hz時(shí)系統(tǒng)最大誤差為0.5%,即單次測(cè)量誤差為0.5%。對(duì)于不同頻率的系統(tǒng)最大誤差如表1所示,隨著激勵(lì)頻率增加,系統(tǒng)誤差增加,在兼容檢測(cè)效率與精度情況下,選取50 Hz作為檢測(cè)首選激勵(lì)頻率,在較苛刻檢測(cè)精度要求的情況下,應(yīng)選取更低激勵(lì)頻率。

表1 傳感器頻域穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

2.6 測(cè)量重復(fù)性

在上文已對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,然而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)需要利用機(jī)械裝置或手工將傳感器與被測(cè)部件表面接觸進(jìn)行磁耦合,考慮現(xiàn)場(chǎng)操作及被測(cè)對(duì)象表面狀況等因素,會(huì)在檢測(cè)時(shí)使傳感器與被測(cè)表面接觸狀況不完全相同,因此必須對(duì)測(cè)量的重復(fù)性進(jìn)行測(cè)試。

如圖13(a)所示,對(duì)尺寸為60 mm×32 mm×28 mm塊狀Q235材料試樣進(jìn)行測(cè)試,取60 mm×32 mm的表面正中心處進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試,試件編號(hào)分別為N1、N2、N3。如圖13(b)所示,測(cè)試時(shí)將傳感器固定,每次手動(dòng)將試塊輕壓于傳感器上,測(cè)量完成后將試件取下,如此反復(fù)測(cè)試10次。測(cè)量采用激勵(lì)頻率為50 Hz。

圖13 重復(fù)性測(cè)試圖

測(cè)量結(jié)果如圖14所示,在10次測(cè)量中,3個(gè)試件的信號(hào)特征值均在125 mV附件波動(dòng)。N1試件相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.57%,N2試件相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.58%,N3試件相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.55%。由表1可知在 50 Hz 激勵(lì)頻率下,系統(tǒng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5%,因此,說(shuō)明在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,由于每次接觸等外界條件的不完全一致將導(dǎo)致測(cè)量誤差增加。從三個(gè)試件測(cè)量結(jié)果可知,此誤差增加的最大值為0.08%,在50 Hz勵(lì)磁頻率時(shí)整個(gè)測(cè)量誤差將為0.58%。另外,N1～N3試件測(cè)試結(jié)果曲線幾乎重合,這是由于材料取自于同一批材料,材料均一性較好,進(jìn)而也從側(cè)面反映處傳感器穩(wěn)定性和測(cè)試重復(fù)性均較好。

圖14 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

3 應(yīng)力檢測(cè)方法

3.1 應(yīng)力檢測(cè)精度

磁巴克豪森應(yīng)力評(píng)估方法屬于一種應(yīng)力間接檢測(cè)方法,通過(guò)建立磁巴克豪森信號(hào)特征值與應(yīng)力關(guān)系曲線從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的評(píng)估。因此,應(yīng)力-磁巴克豪森特征值標(biāo)定曲線直接決定了應(yīng)力檢測(cè)的精度。由前文可知,磁巴克豪森信號(hào)受溫度、材料成分、熱處理狀態(tài)、微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。綜合分析影響應(yīng)力檢測(cè)精度因素主要由以下幾方面:

①儀器系統(tǒng)精度,包括傳感器精度、系統(tǒng)誤差、溫度穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力等。

②磁巴克豪森信號(hào)處理方法,包括原始信號(hào)提取、濾波方法、特征值提取及計(jì)算方法等;

③檢測(cè)參數(shù)設(shè)置的一致性,包括激勵(lì)頻率、電壓、波形、信號(hào)處理參數(shù)等。

④標(biāo)定時(shí)取樣試件與實(shí)際檢測(cè)部件材料自身成分、熱處理狀態(tài)等材料自身方面的一致性情況;

⑤環(huán)境的影響。標(biāo)定時(shí)試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的差異情況,包括溫度、濕度、電磁干擾、材料表面狀況等因素。

圖15 應(yīng)力標(biāo)定試樣

在測(cè)量前應(yīng)先建立應(yīng)力與磁巴克豪森信號(hào)之間的關(guān)系曲線,及應(yīng)力-磁巴克豪森特征值標(biāo)定曲線。本論文以Q235為例對(duì)應(yīng)力進(jìn)行標(biāo)定,試件尺寸如圖15所示。為驗(yàn)證標(biāo)定的正確性與此應(yīng)力評(píng)估方法的可靠性,標(biāo)定的同時(shí)采用引伸計(jì)測(cè)量材料應(yīng)變。測(cè)量時(shí)在試件的一側(cè)安裝磁巴克豪森傳感器,在另一側(cè)安裝引伸計(jì),如圖16所示。由于磁疇跳轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性,標(biāo)定時(shí),對(duì)每個(gè)應(yīng)力條件下應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量取平均值作為此測(cè)量點(diǎn)的MBN特征值。

圖16 測(cè)量安裝位置圖

測(cè)量結(jié)果如圖17所示,所測(cè)的應(yīng)力與應(yīng)變曲線為

σ=1878.30ε-8.24

(2)

可知材料實(shí)際彈性模量為187.8GPa。對(duì)MBN均方根值-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合可得

R=86.79ε-110.99

(3)

從而可知應(yīng)力-MBN均方根值關(guān)系為

σ=21.64R-2393.96

(4)

所測(cè)量MBN均方根值基本均勻分布于應(yīng)力應(yīng)變曲線兩側(cè),正負(fù)偏差20 MPa,與目前X射線衍射儀檢測(cè)的應(yīng)力精度相當(dāng)。

圖17 應(yīng)力-應(yīng)變-RMS曲線

4 球形儲(chǔ)罐焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)某一服役多年球罐,工作壓力為1.4 MPa,材質(zhì)為16 MnR,通過(guò)水泵打壓進(jìn)行打壓試驗(yàn),分別測(cè)量球罐內(nèi)壁水壓在0.2 MPa和2.7 MPa保壓情況下焊縫附件區(qū)域磁巴克豪森信號(hào)變化規(guī)律。

焊縫區(qū)域材質(zhì)復(fù)雜,對(duì)于應(yīng)力標(biāo)定較困難,但由于材料具有連續(xù)性,應(yīng)力可沿連續(xù)材料傳遞,因此測(cè)量時(shí)避開(kāi)焊縫熱影響區(qū),選擇靠近焊縫區(qū)域母材區(qū),分別測(cè)量平行和垂直于焊縫走向的應(yīng)力,由于油漆層較厚(1 mm～2 mm)且不均勻,為避免傳感器提離不同,測(cè)量前打磨掉測(cè)量區(qū)域油漆層,根據(jù)傳感器尺寸,測(cè)量時(shí)選擇離焊縫中心線距離40 mm,間隔 80 mm 進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量,每條焊縫測(cè)量10點(diǎn),測(cè)試方案如圖18所示。

圖18 焊縫測(cè)試方案

從圖19和圖20中S1、S2總體看,在兩種不同壓力下,相比水壓0.2 MPa時(shí),水壓2.7 MPa時(shí)水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力曲線都整體上偏移。分析可知,在球體內(nèi)部加壓,球罐外表面主要為拉應(yīng)力,與其他學(xué)者研究,拉應(yīng)力越大,磁巴克豪森信號(hào)均方根值越大的結(jié)論相符[13]。

圖19 S1焊縫檢測(cè)結(jié)果

圖20 S2焊縫檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比發(fā)現(xiàn),應(yīng)力變化最大為S1焊縫第6測(cè)量點(diǎn)水平測(cè)量時(shí)特征值變化8 mV,特征值最小為S2焊縫水平第3測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力變化0 mV,特征值平均變化約4 mV,因此可估算出傳感器傳感器磁巴克豪森信號(hào)與水壓的變化關(guān)系,水壓變化從0.2 MPa到2.7 MPa變化時(shí),磁巴克豪森信號(hào)平均變化約4 mV,即:

(5)

(6)

圖21 球罐靜應(yīng)力有限元仿真結(jié)果

式中:k為磁巴克豪森與水壓變化比值,即水壓變化1 MPa,磁巴克豪森信號(hào)變化1.6 mV。因此,在球罐打壓過(guò)程中,磁巴克豪森信號(hào)對(duì)打壓變化十分敏感。豎直焊縫S1和S2焊縫水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力總體變化幅度接近。焊縫S1第4和7測(cè)量點(diǎn)在水壓0.2 MPa時(shí)與S1焊縫其他測(cè)量點(diǎn)磁巴克豪森信號(hào)特征值相差較大,而在水壓2.7 MPa時(shí)與S1焊縫其他測(cè)量點(diǎn)磁巴克豪森信號(hào)特征值相差較較小。

通過(guò)有限元軟件對(duì)球罐打壓0.2 MPa和2.7 MPa結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖21(a)所示,水壓0.2 MPa時(shí),在測(cè)試區(qū)域球罐應(yīng)力為12 MPa,如圖21(b)所示,水壓2.7 MPa時(shí),在測(cè)試區(qū)域球罐應(yīng)力為160 MPa。根據(jù)球罐設(shè)計(jì)要求,球罐所設(shè)計(jì)工作壓力為1.4 MPa,球罐壁板應(yīng)不超出材料抗拉強(qiáng)度,因此,在水壓為0.2 MPa和2.7 MPa時(shí),球罐表面應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果變化為148 MPa,結(jié)果正確,符合實(shí)際情況。兩次不同水壓磁巴克豪森信號(hào)變化明顯,而不同測(cè)試點(diǎn)磁巴克豪森信號(hào)不同,這是測(cè)試點(diǎn)附件焊縫焊接情況及其他外載因素所致。綜合分析,通過(guò)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),磁巴克豪森技術(shù)可用于現(xiàn)場(chǎng)球罐應(yīng)力的檢測(cè)與評(píng)估。

5 結(jié)論

基于磁巴克豪森技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套便攜式應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備。以Q235為例介紹了應(yīng)力的標(biāo)定方法,并與引伸計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可知磁巴克豪森是有效的應(yīng)力評(píng)估方法。在標(biāo)定情況下可獲得良好的檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)球罐應(yīng)力檢測(cè)情況可知,本論文所開(kāi)發(fā)的便攜式磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀在工程現(xiàn)場(chǎng)中具備較高的靈敏度,可運(yùn)用于應(yīng)力的評(píng)估。

所開(kāi)發(fā)的儀器與X射線衍射法測(cè)應(yīng)力相比,攜帶方便,檢測(cè)快速,對(duì)人體無(wú)害。在標(biāo)定情況下,應(yīng)力檢測(cè)精度與X射線檢測(cè)精度相當(dāng)。磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)在工程中將有廣泛的應(yīng)用前景。

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