助基于磁梯度张量的金属磁记忆检测方法

金属磁记忆是对铁磁材料早期微观损伤及应力集中进行无损检测的有效方法。为提高磁记忆检测的可靠性,充分利用磁记忆信号的矢量信息,将磁梯度张量测量及分析方法引入磁记忆检测中。根据张量缩并分析理论得到了磁记忆信号的磁梯度张量模量,通过求解梯度局部相位的一阶导数得到信号的梯度局部波数,然后分析信号的磁梯度张量模量和梯度局部波数分布特征,得到磁梯度模量和梯度局部波数极值点分别与应力集中边界和中心位置的对应关系。实验结果表明：磁梯度张量方法能够克服检测方向与缺陷夹角变化对测量信号的影响,准确地对应力集中进行判断。     

基于磁梯度张量的金属磁记忆检测方法

金属磁记忆是对铁磁材料早期微观损伤及应力集中进行无损检测的有效方法。为提高磁记忆检测的可靠性,充分利用磁记忆信号的矢量信息,将磁梯度张量测量及分析方法引入磁记忆检测中。根据张量缩并分析理论得到了磁记忆信号的磁梯度张量模量,通过求解梯度局部相位的一阶导数得到信号的梯度局部波数,然后分析信号的磁梯度张量模量和梯度局部波数分布特征,得到磁梯度模量和梯度局部波数极值点分别与应力集中边界和中心位置的对应关系。实验结果表明:磁梯度张量方法能够克服检测方向与缺陷夹角变化对测量信号的影响,准确地对应力集中进行判断。     

面向再制造的510L钢疲劳裂纹扩展磁记忆检测

为探索磁记忆信号在铁磁性材料裂纹扩展过程中的变化规律,以510L钢为研究对象,采集裂纹扩展过程不同区域的磁记忆信号,计算裂纹尖端的应力强度因子,分析疲劳断口形貌,探讨金属磁记忆方法对铁磁材料疲劳损伤与裂纹扩展检测的可行性,并建立裂纹尖端磁记忆信号梯度Kmax值和应力强度因子KI之间的关系。结果表明:M(T)试样宏观切口处的磁记忆信号特征量比裂纹尖端应力集中处的磁记忆信号特征量明显;梯度Kmax值和应力强度因子KI在疲劳循环累积下均呈指数形式增加,从断裂力学角度说明Kmax反映疲劳累积损伤的可行性;磁记忆信号特征量ΔHp(y)及Kmax可以反映经过不同服役期的510L钢损伤情况,为再制造修复和加工提供依据。     

基于改进梯度下降算法优化的磁梯度张量组合不变量算法的管道缺陷边缘识别模型

针对油气管道磁记忆检测受方向影响较大且缺陷边缘精确识别困难的问题，提出了一种基于改进梯度下降算法(MGD)优化的磁梯度张量组合不变量算法模型，用于管道缺陷边缘的精确识别。以L245N管线钢为试验材料，预制不同深度、不同直径的圆孔状缺陷，设计磁梯度张量测量系统，结合TSC-5M-32型磁记忆仪进行检测实验，获得管道的磁梯度张量矩阵。为克服检测方向对磁记忆信号的影响，分别提取磁梯度张量第二、第三不变量I₁、I₂,进一步考虑这两种不变量在缺陷边缘处易出现模糊，根据Cardano公式对两种不变量进行改进，并分别设置权值a、b进行叠加获得组合不变量I,利用分数阶求导改进梯度下降算法确定最优权值，建立管道缺陷边缘磁记忆识别模型。研究结果表明：该模型对缺陷边缘识别平均相对误差为3.59%,最大相对误差为6%,为实际工程中管道缺陷边缘精准识别提供了可行办法。     

利用磁记忆信号特征参数表征拉伸应力状态

通过对Q345B钢试件静载拉伸时法向磁场的在线测量,得到了不同载荷作用下的磁信号特征,研究了试件断裂处法向分量H_p(y)和特征参量随应力的变化,并建立了磁场梯度指数与应力的量化关系。试验结果表明:当拉应力大于308 MPa时,H_p(y)相对于弹性阶段磁信号发生反转现象;根据梯度最大值K_(max)的极大值可准确判定试件是否进入塑性阶段;梯度最大值的算术平均值K_(max)~(avg)随应力变化的3个阶段分别对应力-位移曲线的弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;K_(max)~(avg)值和断裂处H_p(y)值均可反映试件的损伤程度;梯度指数ξ值可表征试件的应力状态。分析结果表明:Jiles-Atherton模型可解释磁信号的反转现象;感应磁场模型可定性解释试件断裂处的磁信号变化原因,与试验结果一致。该研究为利用磁记忆检测技术进行应力表征提供了一种有效方法。     

金属管道裂纹的磁记忆检测研究

提出采用裂纹区的应力场和应力-磁场理论来解释磁记忆检测原理,并通过采用磁偶极子模型来实现裂纹长度的定量化研究;对各种不同管道裂纹进行磁记忆检测,再对其磁记忆信号特征进行分析、研究。检测分析结果表明:裂纹尖端处应力集中且磁场出现最大值,磁场强度的法向分量也达最大值;而在裂纹中部附近,磁场强度的切向分量出现最大值,法向分量具有过零点特征。裂纹长度与磁记忆切向分量信号梯度峰值之间的距离和法向分量信号的波峰和波谷之间的距离近似成正比例关系。根据这一现象,给出了一个具有较好计算精度的确定裂纹长度的计算表达式,并用实验结果进行了验证。     

面向驱动桥壳再制造的磁记忆无损检测

为研究汽车驱动桥壳再制造的金属磁记忆检测,选用510L钢拉伸试样,分析了塑性应变不同阶段磁记忆信号的变化规律;以材料拉伸试验为基础,针对废旧驱动桥壳进行磁记忆损伤检测及变形量检测,得到了桥壳变形量与磁记忆信号特征值的关系。结果表明,随着应变量的增大,拉伸试样表面磁记忆信号法向分量Hp(y)由斜线、无异变峰变化为反转且出现过零点,磁记忆信号法向分量梯度Kmax早期缓慢增大,颈缩时出现快速增大;桥壳的变形检测显示,桥壳变形量与Kmax存在量化关系,当桥壳发生较大变形时,梯度Kmax发生突变,磁记忆检测可为再制造损伤评估提供依据。     

金属疲劳过程磁记忆信号多特征量提取研究

为明确铁磁构件疲劳过程磁记忆信号的变化规律,实现疲劳损伤的量化评估,选取带中心圆孔的Q235钢试件进行轴向拉伸疲劳试验,通过三维运动平台实现磁记忆信号的稳定连续采集,以小波变换为信号多尺度分析工具,对磁记忆信号进行降噪,并采用小波包进行磁记忆信号分解与重构,提取信号的小波包能量、奇异性指数作为特征量,得到了不同频带上相对能量分布和奇异性指数的变化规律,并将能量、奇异性指数与信号梯度峰值相结合,共同构成评估疲劳损伤的多特征量。试验结果表明:试件疲劳损伤过程中能量、奇异性指数和梯度峰值变化显著,随着循环次数的增加,低频段能量不断增加,高频段能量占总能量比例不断降低,总能量分布向低频段偏移,同时奇异性指数不断减小,而各阶段梯度峰值逐渐增加。通过能量、奇异性指数和梯度峰值的多特征量的研究可以弥补单一特征量存在的不足,研究结果可为金属构件疲劳损伤程度的评估提供技术支撑。     

柱塞泵螺纹的磁记忆检测技术研究

针对石油行业柱塞泵螺纹长期服役后容易产生疲劳失效,且至今尚没有好的检测方法对其进行检测。应用磁记忆检测技术对其进行检测,并对不同裂纹处磁场进行有限元仿真分析,提出了柱塞泵螺纹的磁记忆检测方法,研究了不同缺陷处磁记忆信号特征。分析结果表明,磁记忆检测技术是检测柱塞泵螺纹缺陷的有效方法,通过磁记忆信号能对缺陷类型进行区分。     

X80管线钢疲劳损伤的磁记忆检测试验研究

对预制缺口的X80管线钢平板试件进行拉-拉疲劳试验和磁记忆信号检测,研究了整个疲劳试验过程中磁记忆信号的变化特征,分析了试件缺陷部位的判定方法,提出了量化试件疲劳损伤程度的特征量。结果表明:未经处理的磁记忆信号法相分量过零点位置与试件预制缺口位置并不吻合,将试件在疲劳加载过程中的磁记忆信号减去与之相对应的初始磁信号,处理后的磁信号过零点位置与试件损伤部位完全对应;磁记忆信号梯度值K可有效表征试件应力集中部位;梯度极大值Kmax随疲劳次数的增加而增大,反映了试件的疲劳损伤程度,在一定程度下可定量分析试件的疲劳寿命。     

Quantitative metal magnetic memory reliability modeling for welded joints

Metal magnetic memory(MMM) testing has been widely used to detect welded joints. However, load levels, environmental magnetic field, and measurement noises make the MMM data dispersive and bring difficulty to quantitative evaluation. In order to promote the development of quantitative MMM reliability assessment, a new MMM model is presented for welded joints. Steel Q235 welded specimens are tested along the longitudinal and horizontal lines by TSC-2M-8 instrument in the tensile fatigue experiments. The X-ray testing is carried out synchronously to verify the MMM results. It is found that MMM testing can detect the hidden crack earlier than X-ray testing. Moreover, the MMM gradient vector sumKvs is sensitive to the damage degree, especially at early and hidden damage stages. Considering the dispersion of MMM data, theKvs statistical law is investigated, which shows thatKvs obeys Gaussian distribution. SoKvs is the suitable MMM parameter to establish reliability model of welded joints. At last, the original quantitative MMM reliability model is first presented based on the improved stress strength interference theory. It is shown that the reliability degree R gradually decreases with the decreasing of the residual life ratioT, and the maximal error betweenprediction reliability degreeR1and verification reliability degreeR2 is 9.15%. This presented method provides a novel tool of reliability testing and evaluating in practical engineering for welded joints.     

焊接裂纹金属磁记忆信号特征研究的进展

反映焊接裂纹的金属磁记忆信号特征包括信号过零点位置、小波分析能量极大值点位置、傅立叶分析相位突变位置、区域信号的最大值与最小值差值、信号在检测方向上的梯度、信号在检测方向垂直方向上的梯度。以上6个信号特征通过金属磁记忆信号特征判断焊接裂纹的方法。可以描述焊接裂纹时的作用以及相互之间的关系。研究表明:过零点特征和小波分析极大值点位置特征是不可靠的,用其他4个特征来判断焊接裂纹得到的结论很可靠。未来需要建立用这4个特征来判断焊接裂纹的系统。     

基于Kp微扰算法的磁场中MMM信号特征的研究

金属磁记忆(MMM)法可以对铁磁性金属构件微观损伤区域进行早期预判和评估,但是磁记忆信号很容易受到外界强磁场的干扰,给检测结果带来偏差。为研究磁场强度对磁记忆信号的影响规律,采用Kp微扰算法,在K空间,通过有效玻尔磁子数p建立多元超原胞磁力学模型,计算在外界磁场作用下,磁力学定量变化关系。研究结果表明,在外界磁场作用下,电子轨道运动增强,晶格结构发生畸变,原子磁矩增大。当磁场较小时,磁记忆信号随外界磁场强度增大而线性增大;当磁场强度达到临界值时,原子磁矩近似等于独立原子的磁矩,磁记忆信号趋于定值;当磁场强度大于临界值以后,应力集中区的磁记忆信号将被磁场覆盖。磁记忆检测实验结果与理论分析结果具有很好的一致性。     

压力容器封头处磁记忆信号特征分析

采用金属磁记忆检测方法对CNG储气瓶和乙炔气瓶的封头及筒体处进行检测,发现对应应力集中状态的磁信号有异常变化。用有限元分析软件Ansys对两种不同形式的封头及其与筒体的连接部位进行应力仿真分析。考察了磁信号的变化特征与有限元分析应力间的关系,为磁记忆的定量研究提出一个有效的方法。     

基于磁-声结合的特殊螺纹油管密封检测方法研究*

针对特殊螺纹油管下井后仍存在密封失效的问题,提出采用金属磁记忆和超声相结合的检测技术应用于特殊螺纹油管密封性能的检测。搭建金属磁记忆检测系统,采集上扣前后接头的磁记忆信号,提取并分析特征参数磁记忆信号梯度值。结果表明:磁信号梯度值可以表征螺纹形貌;上扣后啮合螺纹应力分布不均,起始端磁信号梯度值大,应力集中程度高。搭建超声检测系统,采集上扣前后油管密封面回波信号,计算声强反射系数,并利用声强反射系数与接触应力的关系得到密封面接触应力分布。结果表明,上扣后密封面环形带上保持了较高的接触应力,具有一定密封能力。磁-声结合的检测方法实现了对接头螺纹连接部位应力集中情况和密封面接触应力分布的检测,进而可评估密封性能,为保障油管下井服役提供了更安全更有效的密封检测手段。     

弱场激励下铁磁性试件疲劳拉伸磁信号研究

研究了铁磁性材料试件,在弱磁激励条件下进行疲劳拉伸,并检测试件表面沿拉伸方向表面磁场信号的变化及其分布特征。选用16MnR进行试验,对预制缺陷的试件进行弹性范围内的疲劳拉伸。利用基于巨磁阻芯片的阵列式传感器探头进行不同拉伸阶段的试件表面磁场扫描测量,并对信号进行滤波处理和对本征信号及其梯度进行成像。对不同拉伸阶段和传感器阵列中不同传感器通道的磁信号进行了分析,探讨了弱磁激励状态下疲劳拉伸试件表面磁信号对无损性评估铁磁性机械试件的有效性。     

基于磁记忆的油气管道应力损伤检测方法研究

应力集中是油气管道损坏的关键因素,对管道安全构成重大威胁。对其进行有效检测,既可发现由应力集中引起的机械损伤亦可实现对管道早期损伤的预判。磁记忆检测技术作为一种应力检测方法得到了业界认可。从能量平衡角度出发,分别从宏观和微观的角度对应力作用下的铁磁体磁记忆信号特征进行分析,建立应力与材料磁化率及原子磁矩之间的理论关系模型。采用基于第一性原理的CASTEP软件对铁碳金属体系的磁记忆力磁耦合过程进行仿真。结果表明,铁磁体在外力作用下,体系能量将重新平衡并达到稳定状态,电子能带及态密度分布特征发生改变,导致材料磁性下降,原子磁矩及材料磁化率随应力增大呈线性减小的变化趋势。通过对含裂纹管道的磁记忆检测,验证了应力损伤磁记忆检测方法的理论分析正确性及工程应用有效性。     

Characteristics of metal magnetic memory signals of different steels under static tension

To study the characteristics of metal magnetic memory (MMM) signals of different steels during tensile test, static tension tests were applied to 30 pieces of Q235 and 16MnR base metal and welded specimens. During the various deformation periods, MMM signals are tested, and micrometallographic is observed. Furthermore, the derivative of magnetic intensity (dH_p/dx) is analyzed by mathematical and statistical methods to study the macro and micro corresponding relationships and difference among magnetic signals. Results show that despite the different magnetic intensity (H_p) curves of different materials, their dH_p/dx patterns in the yielding and necking stages are the same; welded specimens have the similar magnetic signal curves with their base metal, and the welded structure does not interfere with its H_p distribution; different materials have their unique zero point (H_p＝0) before being fractured, which is independent of the fracture location; there is a direct relationship between the intragranular slip and the changes of magnetic signals, which indicates the uneven plastic deformation.     

基于OPWP算法力磁耦合磁记忆信号特征研究

铁磁材料的塑性变形是严重影响其使用安全的隐患,对其有效检测可以预防破坏事故的发生。磁记忆检测技术可以实现对应力集中引起的材料塑性变形的检测。本文基于密度泛函理论建立铁磁晶体磁记忆检测模型,采用正交化平面波赝势法(OPWP)计算了体心立方晶体结构的铁在塑性变形后力磁耦合磁记忆检测信号的变化特征。结果表明:铁磁材料在塑性变形后晶格结构及能带分布发生改变,仍表现一定的铁磁性但磁性减弱。在受力过程中,晶体内部电子间交换关联作用过程改变,进而导致晶体能带向低能带底移动,轨道电子分布局域性增强,力磁耦合程度减弱。自旋向上和自旋向下的电子态密度分布改变,原子磁矩减小。宏观表现为:磁记忆信号强度下降,磁场变化率与未塑性变形铁相比减小,实验曲线斜率降低,材料整体磁特性减弱。