电站铁磁构件的磁记忆检测
1 引 言
电站中,常因各种锅炉压力容器管道的破损而造成设备停止运行的事故。但是,利用现有的无损检测方法,如超声、磁粉、涡流等,只能发现已经存在的缺陷,对应力集中所造成的早期损伤却无能为力,不能对管道的破坏进行预测;另外,常规无损检测时,必须对管道表面进行大面积的清理,不但工作量大,也容易由于表面处理不当或其他因素造成漏检。因此,有必要开发 一种可以通过探测早期损伤区域进行管道损伤的预测,且检查简单、速度快、效率高的无损检测方法,以提高常规无损检测方法使用的针对性和可靠性,保障电站锅炉的运行安全。
近年来兴起的磁记忆检测技术,利用铁磁材料的磁弹性和磁机械效应,通过载体与地磁场共同作用下产生的磁记忆效应的检测确定构件表面或近表面的应力集中部位,可以准确可靠地探测铁磁构件上以应力集中区为特征的危险部位,是对金属构件进行早期诊断惟一行之有效的无损检测方法[6、7]。本文通过对电站受力铁磁构件磁记忆检测机理的研究和实例分析,探 讨了磁记忆检测技术在电站检测中的可行性和应用前景。
2 铁磁构件的受力分析
铁磁学的研究表明,在无外应力和外磁场时,处于稳定状态的磁晶体内总的自由能E为[1]:
铁磁体在外应力作用下,磁晶体的总的自由能应增加由外应力引起的应力能Eσ部分,即总的自由能为:
此时,根据“实际存在的状态必定是能量最小状态”的原则,只有减少应力能,使其趋于最小;或者改变铁磁体原有的磁弹性能,才有可能使总的自由能趋于最小,从而使铁磁体处于新的稳定状态。以具有各向同性的磁致伸缩材料为例,在弹性应力的作用下,其应力能由下式给出[1]:
由式(3)可以看出,减小应力能的途径是改变磁化强度的方向。但是,在受外应力作用时,尽管铁磁体内的磁化强度会改变方向以减少应力能,但应力存在时或消除后在铁磁体内存在的残余应力将引起应力能的增加,这就势必要打破原有的能量平衡状态,须增加磁弹性能抵消应力能。
3 磁记忆效应
由铁磁学研究可知,铁磁体内与磁致伸缩相关的磁弹性能Ems为[1]:
由式(4)可以看出,正是在应力作用下产生的磁致伸缩性质的形变会引起磁畴壁的位移,改变其自发磁化方向,形成磁畴的固定节点,增加磁场能量,从而使磁弹性能发生变化。
值得注意的是,在载荷的作用下,材料内部的不连续部位(如形状、结构或缺陷)会造成应力的不均匀分布,出现应力集中现象;同时,由于金属内部存在着多种内耗效应(如粘弹性内耗、位错内耗等),势必造成动态载荷消除后,加载时形成的应力集中区得以保留,并具有相当高的应力能。因此,为抵消应力集中区的应力能,在应力作用下产生的磁致伸缩性质形变引起的磁 畴壁位移,改变其自发磁化方向,从而引发的磁畴组织的从新取向排列所形成的磁畴的固定节点,势必会出现在应力集中区,并且会保留下来,形成磁极,在构件表面产生漏磁场。
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