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1、NDT of weld and metal structural state based on magnetic characteristic measurement,Hennadii Bezliudko, Roman Solomakha Special Scientific Engineering company, Kharkov, Ukraine; Jack Zhao Beijing Constant Technology Inc., Beijing, China 北京康坦科技有限公司,基于金属磁特性的焊缝及金属结构的安全状态的 无损检测技术,Where magnetic NDT can
2、be used 磁性无损诊断评估的应用,Magnetic NDT 矫顽力无损诊断评估,For new steelwork NDT in metallurgy and engineering industry,In-service inspection of metal fatigue and stress-strain state 金属疲劳和应力应变状态在役检测诊断评估,In local areas for evaluation the influence of maintenance factors,For overall state evaluation of metal construc
3、tions, steelworks and parts,1,2,3,冶金工业设备制造工程在线无损诊断评估,在役设备局部维护安全评估,压力容器管道焊缝、金属构件及零部件的状态评估,The sensetivity of magetic properties to microstructural changes in the material 材料结构敏感性-磁滞特性参数,众多研究表明：材料的磁滞特征与材料的微观结构变化相互对应，利用材料的磁滞特征对材料微观结构连续降级现象无损评估的技术是可行性。 由于材料降级过程同时改变材料微观结构特征，因此材料降级过程可以被材料的磁滞行为所反应。材料微观结构特征
4、与磁化过程两者之间关系的基本原理：在磁化过程中，磁畴壁的移动和磁畴结构受微观结构特征的影响：例如：一个高晶体缺陷密度将高度阻滞磁畴壁的运动。 相反，材料的磁滞回线形状的变化反应了材料内部微观结构特征的变化。因此，我们可以用一种无损的方式，通过刻画描述和评估材料的磁滞行为，来识别材料的微观结构变化和监测材料机械性能的降级。,材料的磁滞行为,铁磁性材料磁滞回线不同时期磁畴壁的运动,微观结构和机械应力影响磁滞回线形状,材料微观组织结构对材料磁滞回线特征参数的影响,材料所遭受应力对材料磁滞回线特征参数的影响,微观结构和机械应力影响纵向磁致伸缩,材料微观组织结构和机械应力对材料纵向磁致伸缩的影响,磁滞回
5、线的特征参数主要包括：剩磁Br,矫顽力Hc,最大磁感应强度Bm,最大磁导率max,初始微分非磁滞磁导率an，磁滞损耗Wh。其中以矫顽力Hc稳定性最好。,磁滞特征参数无损评估新技术,基于铁磁性材料的磁滞特征与微观结构变化的对应关系， 矫顽力测量技术被用于金属材料机械性能、疲劳状态、应力应变状态评估。,Magnetic hysteresis loop of metal sample from ferromagnetic material (carbon steel, iron, etc.),Information magnetic characteristics used for NDT. 用于无
6、损检测评估的金属磁特性,碳钢试样的磁滞回线,金属失效前，不同的材料，矫顽力值可能增大2-4倍。,Magnetic hysteresis loop changes in the process of fatigue changes in the material.(Coercivity increases) 铁磁性材料疲劳变化过程中磁滞回线的变化（矫顽力值增大）,材料破损前的状态,初始状态,当前状态,Efficiency of the metal state coercivity NDT.,Coercimetery represent the metal state as a result of
7、 joint in-service factors, really taking place in the construction:,(damage state),金属矫顽力状态评估功效,矫顽力测量代表了铁磁性金属在综合操作因子作用下的疲劳状态,材料矫顽力与力学性能加载图表,Typical diagram of loading by measurements of magnetic characteristic coercive force . 金属磁特性-矫顽力测量标准加载图表,操作载荷下矫顽力值从初始值0 到最终断裂值 ,将增大2-4倍; 这样2-4倍的增量允许采用矫顽力来评估金属的疲劳
8、状态. 这种方法极为有效.,通过测量当前矫顽力值Hc与初始状态与断裂前数值之差额，预测工件的已服役寿命和残余寿命。,Hc max,Hc min,Hc max,Hc min,碳钢在低周疲劳模式中不同循环应力下 矫顽力-循环数（寿命）图表,Increase of the coercivity value in a process of microdamages accumulation in the metal. 铁磁性金属材料内部微观损伤累积过程中矫顽力的增长,Hc max,Hc min,All major metal failure mechanisms can be tested by th
9、e coercivity measurements 矫顽力测量可检测评估铁磁性金属所有主要的失效机理,Hc max,Hc min,材料的交货状态（成分和工艺确定）确定后，HcB值不变，为材料的固有性质。无论为何种失效（例如无论是通过拉伸还是通过低周疲劳或高周疲劳），矫顽力增加的速率可能不一样，但失效前的HcB值是一致的,Magnetic and mechanical properties of sheets 5 20 mm thick, structural steel. 5-20毫米厚钢板的磁性和机械性能对比表,Table,MA多参数磁性分析设备,低碳钢的磁滞回线特征参数,高碳钢的磁滞回线特
10、征参数,同时测量多组磁滞回线特征参数：矫顽力、剩磁、最大磁感应强度、最大磁导率、磁滞损耗等多组磁性参数来分析评估材料的机械性能降级。,矫顽力测量设备,便携式矫顽力设备：小巧紧凑，重量仅2-3公斤；操作简单：采集数据仅仅8秒钟；无需耦合剂、无需清理工件表面、通过油漆层测量数据，最大提离6毫米。,手持式计算机与矫顽力主机通过蓝牙连接; 软件能立即储存测量结果并显示给操作人员: 数据图表、彩色分布、直方图 平均值、离散值,手持式计算机能够发送数据至服务器用于分析和储存数据库.,矫顽力测量设备操作简单, 数据采集仅仅需要8秒钟:,焊缝及其两侧热影响区每个钟表时针点的矫顽力值被测量,获得的图表如左图.,
11、管线焊缝的测量, 平均值,D 离散值,矫顽力测量表征方式,直方图,焊缝区域矫顽力值的分布可以采用如图彩色图表很好地表征出来,对技术人员来说十分方便; 色彩越鲜艳的区域,金属疲劳状态就越严重; 采用上表中矫顽力的平均值和离散值进行焊缝疲劳状态近似地分析, 采用右图中矫顽力值的直方图来评估焊缝疲劳变化的动态累积.,矫顽力,材料从服役开始到结束柱状图的变化,直方图可以清楚的看出材料整体的一个疲劳状态（对于新材料，矫顽力一般都分布在Hc0附近，而对于即将失效的材料，矫顽力一般都分布在HcB附近。） 金属常常处在极度疲劳状态,但却没有宏观的疲劳裂纹. 矫顽力测量可以很好地监控金属的疲劳状态, 允许进入金
12、属疲劳诊断实践: 从搜寻宏观疲劳缺陷到给出预防措施。,M 值增长23倍, D值增长 35倍.,彩色分布图，可以明显的看到材料降级程度最大的位置。如左图所示：一个新焊缝的初始状态（图3a）和同样的焊缝经过10年服役后两种可能的状态，图3 b和c。显然3a和3b不需要缺陷检测。3c必须进行检测，但只有1和2区域需要（图3c），该区域宏观缺陷已经出现，需要注意这里并进一步监测实际对象这一部分的矫顽力监测结果。,快速扫查不合格焊缝，如图是一个核电站设施上的七个新焊缝的矫顽力测量评估，其中第1和第4个焊缝存在明显缺陷，而第7个焊缝为合格产品。,核电站设施新焊缝矫顽力质量评估,Before heat tr
13、eatment of the welded joint 焊缝热处理前矫顽力测量数据,There is an opportunity of quantitative assessment of heat treatment quality by the degree of homogeneity reached of the own weld metal as well as compared to its basic metal.,After heat treatment of the welded joint 焊缝热处理后矫顽力测量数据,Coercimetering for quality
14、control of heat treatment 矫顽力在热处理质量控制上的应用,通过测量焊缝修补区域与正常区域的矫顽力数据, 获知该区域微观组织的非均一程度, 即能对焊缝修补区域热处理质量进行定量评估.,碳钢焊缝服役期间的疲劳降级,基体,基体,HAZ,HAZ,焊缝,初始状态,失效前 状态,初始状态焊缝的矫顽力最高，热影响区的最低；服役过程中，焊缝的矫顽力变化不大，而热影响区的矫顽力急剧增加，并超过了焊缝。 红色虚线表征理想焊缝。,Petrochemical refinery pressure vessel regenerates再生器 Circular welded joints,Leve
15、l,Level of circular weld,平均值,最大值,Fatigue state of the base metal and welded joints 容器焊缝及基体疲劳状态,min = 2,4 max = 6,5 = 4,7 = 0,7 Number of points for measurements about 1 500.,Hc,6,5,2,4,1500个点矫顽力测量数据.,Cowper dome fatigue state comparison by coercivity measurement data 热风炉穹顶矫顽力疲劳状态评估,发生爆炸,Hydro Electr
16、ic Power Circle Plates measurements 水电站水道圆盘测量,新圆盘,使用12年,Coercivity metering results of two circle plates of penstock in Hydro Power Plant 水电站上水道圆盘矫顽力测量结果,Circle plate after 12 years in operation Number omeasurement 168 使用12年 测试了168个数据,New Circle plate Number of measurement 108 新圆板 测试了108个数据,Coercivity metering results of two circle plates of penstock in Hydro Power Plant Statistical analysis 两个圆盘的矫顽力测量的统计分析,Averege coerciv
