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設計方案和解決方案

331.png背景分析:

社會建設中,鋼結構件無處不在,如鋼軌、火車軸、火車輪、鋼纜(電梯起重機、輸送帶、吊橋懸索等)、鋼管、鋼結構異型件(飛機起落架等)、建筑物鋼結構架等, 長期在高負荷條件下使用,都將會產生裂紋、磨損、變形和銹蝕,例如:鋼軌在使用過程中會產生磨耗、裂紋、扭曲變形、甚至斷裂,嚴重威脅鐵路安全運營;例如:管道長期使用必然由于腐蝕,銹蝕產生裂縫進而導致管道發生泄漏事故,對于石油、液化天然氣等易燃易爆等危險物體,嚴重時還會爆燃、造成人員傷亡和財產損失。此外對于異性鋼結構件,例如飛機起落架等,如果有損傷,嚴重時會導致飛機降落時發生機毀人亡的事故。對于用于建筑物的鋼結構件,如果偷工減料或運用劣質鋼材,嚴重時會導致坍塌事故的發生。如2019年的香港鐵軌現裂紋,致使一列車脫軌撞至另外一列車,導至8人受傷重大事故。鋼纜磨損,嚴重時會發生斷裂事故,浙江德勝東路的一起吊裝事故,跨線橋拆除箱梁吊裝作業時,其中一臺吊車的鋼絲繩突然斷裂,導致已切割完成的梁體從支架上墜落,造成鋼管支架倒塌,造成1人死亡,3人受傷重大事故。因此需要對常見的鋼軌、鋼纜、鋼管或鋼結構異型件、建筑物鋼結構件的損傷情況進行探傷監測,尤其是無損探傷就顯得更加迫切需要。


鋼結構構件探傷是檢測鋼材與焊縫內部是否存在缺陷的一道工序,是保證鋼構件材質和焊接質量的一種手段,探傷無損檢測技術有很多種,常規的幾種檢測方法如下:超聲波檢測、渦流檢測、磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測、漏磁檢測等技術。超聲波檢測缺點是對工作表面要求平滑、要求富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類、對缺陷沒有直觀性,且適合于厚度較大的零件檢驗。渦流檢測可用于金屬材料探傷,因為必須使用高頻激勵信號,故容易引起信號相互干涉,信號處理比較復雜,同時渦流探傷的可檢測缺陷深度有限。磁粉檢測只能檢驗鐵磁性材料表面和近表面的缺陷,通常可檢深度也比較淺;磁懸液可能導致環境污染;不利于現場檢測適用于表面和近表面缺陷檢測。滲透檢測只能用于致密材料的表面開口缺陷檢驗,對被檢表面光潔度有較高要求;滲透檢測對操作人員的操作技能要求較高;滲透檢測會產生環境污染,適用于表面開口缺陷檢測。射線探傷有輻射污染環境,威脅人體健康,測試周期較長、效率低、實時性效果較差。而金屬磁記憶檢測技術是一種利用金屬磁記憶效應來檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法,克服了傳統無損檢測的缺點,能夠對鐵磁性金屬構件(如鋼軌、鋼纜、鋼管、飛機起落架、鋼結構異型件、建筑鋼結構件等)內部的應力集中區,即微觀缺陷和早期失效和損傷等進行診斷,防止突發性的疲勞損傷,是無損檢測領域的一種新的檢測手段。


331.png原理:

磁記憶探傷隸屬無損探傷領域,是X射線、超聲波、磁粉、渦流、γ射線、滲透(熒光、著色)、磁記憶、漏磁等諸多物理探傷方法中的一類,是一種利用金屬磁記憶效應來檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法

所謂金屬磁記憶效應是指:鐵磁性金屬零件在加工和運行時,由于受載荷和地磁場共同作用,在應力和變形集中區域會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向,這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留,還與最大作用應力有關。金屬構件表面的這種磁狀態“記憶”著微觀缺陷或應力集巾的位置,即所謂的磁記憶效應。當處于地磁場環境中的鐵磁性構件受到外部載荷作用時,在應力集中區域會產生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向,該部位會出現磁疇的固定節點,產生磁極,形成退磁場,從而使該部位鐵磁金屬的的導磁率最小,在金屬表面形成漏磁場。該漏磁場強度的切向分量Hpx具有最大值,而法向分量Hpy改變符號并具有零值。這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后依然保留記憶下來。

金屬磁記憶原理如下圖所示。基于金屬磁記憶效應的基本原理制作的檢測儀器,通過記錄垂直于金屬構件表面的磁場強度分量沿某一方向的分布情況,可以對構件的應力集中程度以及是否存在微觀缺陷進行評價。能夠對鐵磁性金屬構件內部的應力集中區,即微觀缺陷和早期失效和損傷等進行診斷,防止突發性的疲勞損傷,是無損檢測領域的一種新的檢測手段。 

                                                                                                  

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 有、無缺陷磁場強度分布示意圖


331.png功能:

國創磁掃描探傷系統,是利用金屬磁記憶效應來檢測如鋼軌、鋼纜、鋼管、飛機起落架、鋼結構異型件、建筑鋼結構件等應力集中部位(即微觀缺陷、早期缺陷和損傷的快速無損檢測方法,通過對鋼軌、鋼纜、鋼管等鐵磁性材料構件進行實時在線無損磁異常探測,并在時域、頻域和空間上對測量數據進行數字濾波和統計分析、借助特征識別算法不僅可以確定鋼軌、鋼纜、鋼管等已存在的內部缺陷(例如:裂紋、夾渣、磨損、核傷等材料、加工與焊接缺陷)及其位置、形狀等,還可通過其內應力隨時間的變化趨勢預測缺陷的形成和發展。


其中,用于電梯起重機、輸送帶和吊橋及懸索等鋼纜的國創磁掃描探傷儀可以制備成靜態的、自行式的、手持式的三類,可以檢測出100根鋼絲斷裂一根的磁異常變化;用于鐵路如鋼軌、火車輪、火車軸探傷專用檢測裝置,通常有手持式、固定式和自行式三類;用于異型結構件如飛機起落架及其他非規則鋼結構件的探傷專用檢測裝置,主要有移動式或固定式兩類。用于鋼管的磁掃描探傷儀根據使用方式也分為手持、固定和自行式的三類。

 

331.png技術解決方案:

磁掃描探傷系統主要由國創磁掃描探傷儀、數據通信系統、數據處理系統、聲光報警系統等部分組成,可以實時在線檢測如鋼軌、鋼纜、鋼管、飛機起落架、建筑鋼結構件等應力集中部位的損傷及預警。

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03國創磁掃描探傷工藝流程圖.jpg


331.png系統主要組成:

1、國創磁掃描探傷系統微磁基礎傳感器陣列、通訊模塊、數字信號處理單元等組成;

2、微磁基礎傳感器陣列按照一定的結構設計進行安裝;

3、相關算法包括:微磁基礎傳感器陣列標定、安裝誤差標定、載體干擾抑制、環境噪聲抑制、磁異常目標小信號處理等;

4、數據中心:微磁基礎傳感器陣列數據、磁異常預警信號等數據信息匯集;

5、終端控制臺:顯示國創磁掃描探傷系統工作狀態,參數及預警信息。

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