黄清荣
(宜春锅炉压力容器检测中心, 江西宜春 336000)
张维
(南昌航空工业学院, 南昌 330000)
摘 要: 针对目前焊接残余应力常用的几种无损测量方法进行了简单介绍和比较。提出了一种
新的无损测量方法——金属磁记忆检测技术。分析了该技术在锅炉压力容器焊缝中的应用前景及存
在的问题。
关键词: 锅炉压力容器; 残余应力; 磁记忆检测
中图分类号: TG115. 28+ 4 文献标识码: A 文章编号: 167124423 (2003) 02214204
1 前言
锅炉压力容器在焊接过程中易产生焊接残余应力。它产生的原因较为复杂, 因锅炉压力容器的
材质、焊接方法和结构形式的不同, 产生的焊接残余应力也不同, 有时会差别很大。焊接残余应力对
焊接构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强度、形状精度和安全使用有重要影响, 它是造成锅炉压力
容器断裂, 疲劳破坏和应力腐蚀的重要因素 1 。研究焊接残余应力的分布, 确定它的大小, 分析其
对锅炉压力容器整体性能的影响, 为最终减少或消除焊接残余应力对锅炉压力容器的危害, 防止灾
难事故的发生已经成为锅炉压力容器领域中广泛关注的问题。特别是对于一些大型重要的锅炉压力
容器, 寻求适宜现场快速检测的方法具有现实的工程意义。尽早发现锅炉压力容器应力集中区, 并进
行有针对性的无损检测,早期预防断裂事故发生具有重要的意义。
目前, 测量残余应力的方法相对于被测件而言,可分为无损和有损测试法两大类。钻孔法(即小孔
法) 是常用的有损测试方法之一。它是利用机械加工工程(钻孔) 释放被测点处的应力, 使被测件产
生相应的位移与应变, 通过测量其应变或位移, 而后得到被测试点处的残余应力。它的测量精度与灵
敏度都比较好, 但是被测试件受到一定的损伤, 所以现在实际应用受到很大限制, 而且它的测量结
果是小孔处被测试表面的残余应力平均值, 无法精确表述残余应力随被测试件深度而变化的情况,
还不能完全解决被测试件残余应力的测量问题。因此, 无损测试方法就成为研究的主要方向。常用
的无损测试材料的残余应力的方法有 X 射线衍射法、中子衍射法、超声测速法。激光干涉(包括电
子剪切散斑进干涉技术、红外热图和磁测量法等。 由于这些方法对被测试对象无损伤, 近年来正日)
益受到人们的重视并得到广泛应用。
2 几种常用无损测试残余应力的基本原理及局限性
2. 1
X 射线衍射法
金属材料是由一定点阵排列组成的晶格结构,晶格内某一取向的原子间距是一定的。若能测量出
自由状态下的原子间距与在某一应力作用下的原子间距的差值, 就能计算出作用应力的大小, 也就
是着名的 B ragg 定律, 当射线入射角(射线与材料平面的夹角)H(B ragg 角) 满足下面方程式时, 衍
射值最大,2 d sinH= nK 是晶格常数(原子间距) , K 是 X 射线波长。n 为衍射级数。当有应力作用时,
金属材料发生变形, 原子间距 d 会发生变化,B ragg 角 H 也发生变化。上世纪 60 年代德国的 E. M
achearauch 提出了 X 射线应力测定的 sin27 法, 使应力测定向实用化迈进了一大步。
随后 cheek ier 将其简化成 0～ 45°法, 测试方法进一步简化。 射线衍射法的最大优点是可以X
测量出应力的绝对值, 它在焊接结构残余应力测量中应用较广泛。美国汽车工程师学会和日本材料
学会都把 X 射线衍射法作为测量材料应力的标准来使用。但这种方法更适宜在实验室里进行, 在野
外使用有很多不便。由于 X 射线的穿透深度极浅, 它只能在表层深度 30 Lm 左右的范围测量, 适用
于精确测定应力沿层深的分布。但它对被测物体的表面状况有较严格的要求, 测量时需十分小心。
2. 2
中子衍射法
中子衍射法是一种测量结构内部应力的常用方法 2 。该方法测量原理与 X 射线衍射法基本相
似。典型的是, 由单色光晶体从反应堆芯(约 50mm ×50 mm ) 发射中子束, 隔吸收屏狭缝处于构件
和入射及衍射束之间, 以降低残余应力的取样体积, 平行衍射束发自对衍射有正确取向的原子。通过
研究衍射束的峰值位置和强度, 可获得应力或应变的数据。由于 X 射线是由电子壳层散射的, 故其
穿透深度极浅(大约离表面 20 Lm 深) , 用 X 射线衍射法可以测量锅炉压力容器表面的应力, 而中子
是由原子核散射的, 中子的穿透深度比 X 射线大得多, 对于钢可达 50 mm , 可以用来测量钢的焊接
结构沿层深的残余应力。各种焊接结构层深的残余应力都可以采用中子法来测量。近年来中子法在
焊接残余应力测量中的应用比较普遍。例如,Moch izuk i 以中子衍射法作为直接测量手段来对碳钢
管焊接接头沿层深的残余应力进行了分析和验证; Stone 把中子法应用到了 WA SPALO Y 合金的
电子束焊板的残余应力的测量上。
2. 3
超声波声速法
声强性研究表明, 超声波在各向同性弹性体内的传播速度还相似地正比于所加的应力。超声波
声速法有两种方案在实际中运用。一种是在金属构件中采用超声纵波, 评价因应变——位移关系的
弱非线性引起的速度差别, 由此确定其残余应力, 例如测量螺栓紧固应力。另一种是回振法, 它是测
量正交偏振两横波的回波时间, 得到超声速度与应力状态的对应关系。只要发射超声波功率足够大,
可穿透任意厚度的工件, 因此, 它适应测量大型焊接构件的三维残余应力, 具有快速、简便的特点,
但该方法目前还处于试验研究阶段。
2. 4
电子散斑干涉技术
它是一种激光干涉技术。金属焊接构件有应力作用时, 材料表面产生形变, 干涉条纹图形即发生
变化。通过测量干涉条纹的变化可知构件的应力应变情况。它也只能测量构件表面的应力情况。由
于测量对抗震性要求较高, 且在暗室条件下工作, 只适合在室内进行测量。
2. 5
磁学方法
磁学方法测量内应力的方法较多, 主要的有:Barkhau sen 噪声法( EBE 法) , 磁声发射法(M
agneto A cou st ic Em ission, 简称 MA E 法) , 磁场旋转法和磁各向异性法等, 它们都是利用钢结
构在焊接残余应力影响下的磁抗性变化进行的。通常采用的方法是钢结构焊缝在外磁场强度 H 的作
用下,根据钢制锅炉压力容器的磁致伸缩和磁弹性效应进行应力检测。MA E 法是利用铁磁性材料在
磁化时,磁畴发生突然的不连续移动所释放的弹性应力应变波现象, 这种弹性波经过声发射仪的接收
传感器, 将机械能传化为电能, 从而成为发射信号, 由于它是由磁场激发的, 所以叫磁声发射法。当
锅炉压力容器焊件外加应力或内部存在残余应力时, 磁畴的运动将会受到阻碍, 磁致伸缩应变会影
响接收到的信号大小, 由此可确定磁声发射信号的大小变化情况。磁各向异性法是由强磁性物质(如
铁、 受磁场作用, 就会因磁应变效应而发生尺寸变化。镍)其效应是, 若有应力作用则磁性发生变化。
因此通过测量磁各向异性的变化可间接测量出应力的大小, 标定后即可用来测量锅炉压力容器焊接
件残余应力的绝对值。利用磁学方法测量铁磁性材料应力在工程上获得广泛应用。它最大特点是测
量速度快, 非接触测量, 适合现场使用, 但测量结果受很多因素影响, 可靠性精度较差, 量值标定较
困难, 对材质较敏感。另外, 它们都是需要外部激励磁场来工作的, 由此带来了磁化不均匀, 设备笨
重、消耗能源、复杂结构无法测试、剩磁和磁污染问题。磁记忆检测技术也是基本磁性特质的磁弹
性效应, 它是以杜波夫教授为代表的俄罗斯学者于上世纪 90 年代后期率先提出的一种创新的金属
诊断技术。铁磁性焊接构件在运行时会受到工作加载前和地球磁场共同作用, 在外加应力(或焊接残
余应力) 和变形集中的磁畴组织会在一定方向取向,局部区域产生漏磁场, 而且这种磁状态为不可。
在工作载荷去除后, 不仅会保留, 还与最大作用应力有关。理论与试验研究表明, 锅炉压力容器在运
行时受到载荷的影响, 其焊接残余应力集中的金属的导磁率最小, 而在表面形成最大的漏磁场 Hp ,
该磁场在受到拉伸、挤压、扭曲和周期性变化负载的作用下,只与最大工作应力有关, 且表现为该磁
场的水平(切向) 分量 Hp (x) 具有最大值, 而垂直(法向) 分量 Hp(y) 的符号发生变化, 并有过零点
现象。因此, 利用专门的磁性测定仪通过测试锅炉压力容器焊接表面 H (y) 值的变化强度便可以准
确测出其残余应力状态及应力集中区域, 从而达到早期诊断的目的。
3 磁记忆检测技术的应用前景分析
磁记忆检测技术自上世纪 90 年代问世以来, 便受到世界上许多国家的同行重视。国际焊接学会
标准执行的欧洲规划 ENRESS—“应力和变形检测”中, 已明确规定“金属磁记忆法为切合实用的设备
和结构应力变形状态检测方法”, 在俄罗斯、乌克兰、保加利亚、波兰等国已制订了对该方法和仪器
鉴定的国家标准。印度和澳大利亚等国正在大力推广应用该项技术。金属磁记忆技术引进我国是近
二年的事,由于它是目前对金属构件的应力集中、早期失效、早期损伤等进行早期快速、准确诊断新
方法, 在建筑、航空、航天、铁道、电力、锅炉压力容器、石化、机械、桥梁等工业部门都有极其
广阔的应用前景。
残余应力产生的脆性破坏在锅炉压力容器焊接件中极易发生, 而脆性破坏是钢结构在几乎不存
在裂性变形情况下的突然开裂, 常导致重大事故的发生。有关文献中报导了残余应力对脆性破坏的
影响试验, 如把 760 mm ×910 mm、厚 20 mm 的钢板对焊起来。在焊缝处沿接合方向的残余应力
是接近于焊接金属屈服极限的拉应力。将焊好的试样一部分做退火处理的消除焊接残余应力后, 再
与未经退火处理的试样一起放在- 13℃下冷却, 发现经退火处理的试样未出现裂纹, 而没处理的试
样即使在无外力作用下也出现了脆性裂纹。分析其原因是在温度快速下降时, 材料塑性下降所引起
的脆性破坏。类似的研究表明: 焊接残余应力与开裂有直接关系。可见焊接残余应力不仅直接影响
到裂纹的扩展, 而且加速了脆性破坏。焊接残余应力的存在对锅炉压力容器的强度、疲劳寿命、结
构变形等方面的影响都是很大的。而现有的常规无损检测方法(U T. M T. PT.ET. RT ) 不能在破坏前
期实现对锅炉压力容器焊缝的早期诊断。生产厂家对焊缝采用五大常规方法无损检测时, 也只是检
出已经存在宏观缺陷, 按应力相互作用分类, 它应属宏观应力。当应力等级、均匀性、几何形状偏差、
焊缝组织变化、塑性变形以及其他微观因素对锅炉压力容器焊缝的可靠性产生影响, 也就是显微应
力, 超显微应力影响时, 以上就显得无能为力。此时, 必须采取从整体上对焊缝应力状态进行鉴定的
诊断方法, 金属磁记忆检测技术就能在缺陷产生之前, 诊断出应力集中区域, 进而找出将来要产生
缺陷的危害区域。所以, 在某种程度上, 它是目前能对锅炉压力容器应力变形状态进行早期检测、评
价的唯一可行的无损诊断方法。根据磁记忆原理可知, 在锅炉压力容器焊缝中其他条件相同的情况
下,焊缝里会有残余磁化现象产生, 其残余磁化分布的方向和性质完全取决于焊接完成后金属冷却时
形成的残余应力和变形的方向和分布情况。因此, 在焊缝的应力集中区域(或金属组织最不均匀处)
和有焊接工艺缺陷处, 漏磁场的垂直(法向) 分量 Hp (y) 具有符号发生变化, 并有过零现象, 漏磁场
符号变换线(Hp= 0) , 相当于残余应力和变形集中线。通过测出在焊接过程中形成的漏磁场, 就可对
锅炉压力容器焊缝实际状态进行整体鉴定, 同时确定每条焊缝中残余应力和变形以及焊接缺陷的分
布。在大多数情况下, 磁记忆检测技术可以在裂纹产生之前, 或裂纹尚在萌生的早期阶段, 就能发现
其所在的危险区域。利用它可对主承力锅炉压力容器件内外表面的应力分布状态进行评定, 及时对
构件的受损部位进行强化处理或重焊。所以充分应用磁记忆检测技术可极大地保证锅炉压力容器的
安全性和可靠性, 另一方面也可为疲劳分析改进结构与工艺设计提供必要的数据, 起到有效的先导
作用。
4 结束语
金属磁记忆检测技术是属于无损检测领域里的一门新技术, 它有如下优点:
(1) 不需要对锅炉压力容器焊缝表面进行预清理;
(2) 不需要专门的磁化装置, 而是利用锅炉压力容器在地磁场中的自磁化现象;
(3) 测试时采用非接触方法, 特别适合现场使用;
(4) 在测试中可快速确定应力集中点(线) ;
(5) 提高效应的影响最小, 检测灵敏度高于其他磁性方法;
(6) 检测设备轻巧, 操作简便, 测试结果重复性和可靠性好。检测速度快。
采用金属磁记忆检测方法根据锅炉压力容器焊缝残余应力, 对周围磁场的影响, 通过检测锅炉
压力容器焊缝附近的磁场强度, 定性分析焊缝附近残余应力的分布情况, 是目前金属构件进行早期
诊断的唯一行之有效的无损检测方法, 在工程研究领域具有较好的研究价值与现实意义。但作为一
门新技术还有一些实际问题需要解决。例如: 锅炉压力容器焊缝周围磁场分布与残余应力分布的定
性关系以及如何根据焊缝磁场分布定量推算焊接残余应力的大小问题, 还有焊缝附近磁场变化的产
生及影响因素, 受焊接残余应力影响的程度都是今后要研究的内容。
参考文献:
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版社,1997
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〔3〕任吉林等. 金属磁记忆检测技术, 北京: 中国电力出版社, 2000
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