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设计方案和解决方案

331.png背景分析:

社会建设中,钢结构件无处不在,如钢轨、火车轴、火车轮、钢缆(电梯起重机、输送带、吊桥悬索等)、钢管、钢结构异型件(飞机起落架等)、建筑物钢结构架等, 长期在高负荷条件下使用,都将会产生裂纹、磨损、变形和锈蚀,例如:钢轨在使用过程中会产生磨耗、裂纹、扭曲变形、甚至断裂,严重威胁铁路安全运营;例如:管道长期使用必然由于腐蚀,锈蚀产生裂缝进而导致管道发生泄漏事故,对于石油、液化天然气等易燃易爆等危险物体,严重时还会爆燃、造成人员伤亡和财产损失。此外对于异性钢结构件,例如飞机起落架等,如果有损伤,严重时会导致飞机降落时发生机毁人亡的事故。对于用于建筑物的钢结构件,如果偷工减料或运用劣质钢材,严重时会导致坍塌事故的发生。如2019年的香港铁轨现裂纹,致使一列车脱轨撞至另外一列车,导至8人受伤重大事故。钢缆磨损,严重时会发生断裂事故,浙江德胜东路的一起吊装事故,跨线桥拆除箱梁吊装作业时,其中一台吊车的钢丝绳突然断裂,导致已切割完成的梁体从支架上坠落,造成钢管支架倒塌,造成1人死亡,3人受伤重大事故。因此需要对常见的钢轨、钢缆、钢管或钢结构异型件、建筑物钢结构件的损伤情况进行探伤监测,尤其是无损探伤就显得更加迫切需要。


钢结构构件探伤是检测钢材与焊缝内部是否存在缺陷的一道工序,是保证钢构件材质和焊接质量的一种手段,探伤无损检测技术有很多种,常规的几种检测方法如下:超声波检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测、射线检测、漏磁检测等技术。超声波检测缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性,且适合于厚度较大的零件检验。涡流检测可用于金属材料探伤,因为必须使用高频激励信号,故容易引起信号相互干涉,信号处理比较复杂,同时涡流探伤的可检测缺陷深度有限。磁粉检测只能检验铁磁性材料表面和近表面的缺陷,通常可检深度也比较浅;磁悬液可能导致环境污染;不利于现场检测适用于表面和近表面缺陷检测。渗透检测只能用于致密材料的表面开口缺陷检验,对被检表面光洁度有较高要求;渗透检测对操作人员的操作技能要求较高;渗透检测会产生环境污染,适用于表面开口缺陷检测。射线探伤有辐射污染环境,威胁人体健康,测试周期较长、效率低、实时性效果较差。而金属磁记忆检测技术是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法,克服了传统无损检测的缺点,能够对铁磁性金属构件(如钢轨、钢缆、钢管、飞机起落架、钢结构异型件、建筑钢结构件等)内部的应力集中区,即微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断,防止突发性的疲劳损伤,是无损检测领域的一种新的检测手段。


331.png原理:

磁记忆探伤隶属无损探伤领域,是X射线、超声波、磁粉、涡流、γ射线、渗透(荧光、着色)、磁记忆、漏磁等诸多物理探伤方法中的一类,是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法

所谓金属磁记忆效应是指:铁磁性金属零件在加工和运行时,由于受载荷和地磁场共同作用,在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向,这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留,还与最大作用应力有关。金属构件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集巾的位置,即所谓的磁记忆效应。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时,在应力集中区域会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向,该部位会出现磁畴的固定节点,产生磁极,形成退磁场,从而使该部位铁磁金属的的导磁率最小,在金属表面形成漏磁场。该漏磁场强度的切向分量Hpx具有最大值,而法向分量Hpy改变符号并具有零值。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然保留记忆下来。

金属磁记忆原理如下图所示。基于金属磁记忆效应的基本原理制作的检测仪器,通过记录垂直于金属构件表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况,可以对构件的应力集中程度以及是否存在微观缺陷进行评价。能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区,即微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断,防止突发性的疲劳损伤,是无损检测领域的一种新的检测手段。 

                                                                                                  

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 有、无缺陷磁场强度分布示意图


331.png功能:

国创磁扫描探伤系统,是利用金属磁记忆效应来检测如钢轨、钢缆、钢管、飞机起落架、钢结构异型件、建筑钢结构件等应力集中部位(即微观缺陷、早期缺陷和损伤的快速无损检测方法,通过对钢轨、钢缆、钢管等铁磁性材料构件进行实时在线无损磁异常探测,并在时域、频域和空间上对测量数据进行数字滤波和统计分析、借助特征识别算法不仅可以确定钢轨、钢缆、钢管等已存在的内部缺陷(例如:裂纹、夹渣、磨损、核伤等材料、加工与焊接缺陷)及其位置、形状等,还可通过其内应力随时间的变化趋势预测缺陷的形成和发展。


其中,用于电梯起重机、输送带和吊桥及悬索等钢缆的国创磁扫描探伤仪可以制备成静态的、自行式的、手持式的三类,可以检测出100根钢丝断裂一根的磁异常变化;用于铁路如钢轨、火车轮、火车轴探伤专用检测装置,通常有手持式、固定式和自行式三类;用于异型结构件如飞机起落架及其他非规则钢结构件的探伤专用检测装置,主要有移动式或固定式两类。用于钢管的磁扫描探伤仪根据使用方式也分为手持、固定和自行式的三类。

 

331.png技术解决方案:

磁扫描探伤系统主要由国创磁扫描探伤仪、数据通信系统、数据处理系统、声光报警系统等部分组成,可以实时在线检测如钢轨、钢缆、钢管、飞机起落架、建筑钢结构件等应力集中部位的损伤及预警。

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03国创磁扫描探伤工艺流程图.jpg


331.png系统主要组成:

1、国创磁扫描探伤系统微磁基础传感器阵列、通讯模块、数字信号处理单元等组成;

2、微磁基础传感器阵列按照一定的结构设计进行安装;

3、相关算法包括:微磁基础传感器阵列标定、安装误差标定、载体干扰抑制、环境噪声抑制、磁异常目标小信号处理等;

4、数据中心:微磁基础传感器阵列数据、磁异常预警信号等数据信息汇集;

5、终端控制台:显示国创磁扫描探伤系统工作状态,参数及预警信息。

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