钢锻件球阀阀门磁粉检测工艺方法探讨
伍晓宏 林云（四川省理化计量无损检测有限责任公司 610100）
刘 鹏 （滨特尔阀业（四川）有限公司 品保部 610225）
摘 要：文章给出了钢锻件成品阀门磁粉探伤工艺方法优化及磁化规范的制定方法，讨论了环形工件缠绕电缆法有效磁化范围的确定，及线圈法磁粉检测设备磁化电流与线圈匝数的关系。
关键词：磁粉检测、缠绕电缆法、电缆匝数、磁化电流、有效磁化范围。
一、 引言
1.1项目情况
滨特尔阀业（四川）有限公司生产一批用于缅泰项目的法国FCT品牌的阀门，材质为A105，输送介质为油气∕水，工作压力为1.96~9.3MPa，工件温度为－29℃~90℃的公称通径为2″~18″的钢锻件球阀阀门，其结构如图1所示，为一件中体、两件左右体的三体式结构。
该阀门坯件是A 105钢坯模锻制造，初锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻压比为4.5。
图1 三体式锻钢阀门结构图
1.2存在的问题：
为了防止产品在锻压过程中产生裂纹、折叠、分层等表面缺陷，对产品使用安全和寿命构成危害，客户要求对该批锻件阀门在成品阶段按ASME V卷《无损检测》进行磁粉检测，按ASME第Ⅷ《压力容器建造规程》强制性附录6、8进行表面质量评判验收。
验收条件为：1、不允许任何裂纹和白点；2、不允许线性缺陷磁痕显示；3、不允许≥5mm圆形缺陷显示；4、同一直线上不允许有≥4个，间距≤1.5mm的圆形缺陷显示。
由于该批锻件阀门具有：检测时机为精加工成品阶段检验，表面粗糙度Ra0.8~12.5μm，工件几何形状复杂，截面厚度变化大，要求对工件表面100%检测等特点。
如果采用磁轭磁化，触头磁化或通电法磁化等方式都会存在检测效率低、操作困难、程序繁锁等问题。
在阀门制造行业没有成熟的可借鉴的磁粉检测工艺。为保证检测结果科学、可靠，我们试图从磁粉检测工艺规范试验入手，优化制定针对该批锻件阀门的合理的磁粉检测工艺。
二、 检测工艺方法的优化选择
2.1根据施加磁粉的时机选择：
经实测该批被检工件的剩磁强度Br≤0.1mT，不满足剩磁法检测条件Br≤0.8T（矫顽力Hc≤1000A/m）检测条件，只适合采用连续法检测。
连续法的适用范围：1、形状复杂的工件；2、剩磁强度Br≤0.8T（矫顽力Hc≤1000A/m）较低的工件；3、检测灵敏度要求较高的工件。
连续法的优点：1、适用于任何铁磁性材料；2、具有最高的检测灵敏度；3、可用于多向磁化；4、交流磁化不受断电相位的影响；5、能发现表面、近表面缺陷；6、适用于干法、湿法检验。
2.2检测场地、磁粉、照明条件的选择：
被检工件表面光洁度高，如果不能妥善包装，在运输过程中存在较大的损伤风险，特别是阀门密封面在长距离转运途中容易造成磕碰损伤，在工厂现场检测不需要包装和也不需要长距离转运，减少了转运环节环节也减小了磕碰损伤风险。
被检工件的表面状态为机加成品状态，表面粗糙度Ra0.8~12.5μm，选择湿法磁粉可获得较高的检测灵敏度。
在现场检测条件下采用白光照明观察既容易实现，同时在金属光泽的背景下亦能获得理想的缺陷磁痕显示，从而满足标准要求的检测灵敏度。
2.3根据磁化电流类型选择：
该批被检阀门的截面厚度在9mm~90mm之间，根据电流集肤深度的表达式可知：电流的集肤深度随电流频率的增加而减小。
电流集肤深度的表达式：
f：电流的频率Hz
σ：电导率
μr：磁导率
如果采用直流电或全波整流电磁化，根据上式：直流电或整流电的渗入深度较50Hz的交流电大，如用直流电或整流电磁化工件，在相同外加磁场强度下直流电或整流电在被检表面的电流密度和磁力线密度将大幅度降低。
该批工件的被检截面厚度≫6mm，即使外加磁场强度足以满足标准规范要求，即使被检表面经灵敏度试片校验人工缺陷磁痕显示清晰完整，也会因为被检表面磁力线密度的降低而造成表面缺陷的漏检，而表面缺陷因其危害程度大，在磁粉检测中是不允许漏检的。
采用交流电磁化，由于交流电的趋肤效应，磁力线主要密集分布在工件表面，对表面缺陷的检测灵敏度高，可保证表面缺陷的可靠检出。同时由于50Hz的交流电的脉动性，有利于磁粉的流动，也有利于磁粉受缺陷漏磁场的吸引向缺陷处迁陟，从而形成缺陷磁痕显示，所以选择交流电磁化。
综上所述，该锻件磁粉检测磁化工艺方法应选择：交流电、湿法黑磁粉、连续法、白光照明条件下观察检测。
2.4根据磁化方法选择
在磁粉检测中为了检测出不同方向的缺陷，对于同一检测部位要求至少在约相互垂直的两个方向分别磁化一次。对于环形或筒形工件而言，为了防止缺陷的漏检，至少要在轴向（纵向）和周向（环向）各磁化一次。
常用的纵向磁化方式有：磁轭法、线圈法；
周向磁化方式有：轴向通电法、中心导体法（偏置芯棒法）、触头法等；
还有固定式磁粉探伤设备采用的摆动磁场复合磁化法；以及交叉磁轭旋转磁场复合磁化方法等。
摆动磁场和旋转磁场复合磁化均能一次磁化检出不同方向的缺陷，检测效率最高。
但是，由于受阀门几何形状制约，如果用固定式设备摆动磁场复合磁化，阀门中体和左右体都无法在固定式设备上妥善固定夹持；而且即使勉强夹持也不容易观察到流道内的缺陷显示情况；同时，也由于被检工件的曲率半径小，曲率大，如果用交叉磁轭旋转磁场磁化，在工件流道内、外表面由于工件曲率的原因，交叉磁轭的滚轮与工件表面呈线接触，交叉磁轭的磁极与工作表面的空气隙加大，磁阻增加，导入工件的磁通量减少，有效磁场强度降低，无法满足标准规范的要求。故无法采用摆磁场或旋转磁场复合磁化的方式磁化工件。
触头法、磁轭法受磁轭最小间距与工件外形尺寸小、曲率大的制约，磁轭不便在工件表面磁化操作；触头电极与被检工件接触部位磁力线密度大，易产生过度背景，以及触头电极与工件光洁表面不便加力及接触不良等原因，操作不当时易产生“打火”烧伤成品表面形成电弧坑，“打火”也容易造成工件表面“渗铜”等缺陷；由于工件流道内的狭小空间限制，磁轭和触头支杆等都不便在流道内实施磁化操作和磁痕观察。
阀门的中体、左右体为环形、筒形结构，如图2所示在外表面采用缠绕电缆法可实现轴向开路磁化，如图3所示在流道内采用缠绕电缆法可实现周向闭路磁化。
图2 绕电缆纵向开路磁化 图3 绕电缆周向闭路磁化
结合上述条件，该锻件阀门的磁化方法应选择：缠绕电缆法纵向、周向磁化检测为佳。
三、 磁化规范的制定
3.1绕电缆法纵向开路磁化
如图所示对工件进行缠绕电缆法纵向开路磁化，柔性线圈与工作紧密贴合，该方法属高充填因素法，其磁化电流按下式计算：
I-磁化电流A（该值应在所选择设备的输出电流的有效范围内）
N-缠绕电缆的匝数（该值应在所选择设备的输出功率的有效范围内）
L-工件长度mm(如有叠加含加长工件长度)
当L/D0≤2时为了削弱退磁场对磁场强度的影响应采用与被检工件似的工件对被检工作加长，这里采用左右体大法兰与中体相联接的对称布置的叠加加长增加长径比（L/D0）的方式。
D0-工件有效直径mm
D -工件外径mm
Di-工件内径mm
外加磁场强度应根据磁场计实测被检表面切向磁场强度或C型灵敏度试片测试来确定。
有效磁化区域宽度为线圈两端向外延伸150mm Li=150×2=300mm，磁化次数为N=L/300×(1-10%) ；L表示工件被检长度。
（见下表1）
3.2绕电缆法周向闭路磁化电流按下式计算，并以C型灵敏度试片实测为准。
I-磁化电流A
N-绕电缆的匝数
Li-环形工件的中心线长度（m） Li=πDm
Dm-环形工件的中心线直径（m）
外加磁场强度应根据磁场计实测被检表面切向磁场强度或C型灵敏度试片测试来确定。
磁化次数及一次有效磁化区域宽度用C型灵敏度试片实测来确定。
（见下表2）
四、 磁化检测及数据分析
4.1磁化规范计算：
以规格为4吋、14吋球阀中体、左右体及其组合为例，以图2 方式对中体、左右体进行绕电缆纵向开路磁化，以图3方式对中体进行绕电缆周向闭路磁化。
根据3.1、3.2经验公式进行磁化规范计算可得到表1纵向磁化、表2周向磁化规范：
表1、以1件左右体+1件中体+1件中体+1件左右体的加长堆叠方式缠绕电缆法纵向磁化时根据经验公式计算的磁化规范
|
序号
|
工 件 名 称
|
工件尺寸
（mm）
|
工件堆叠长度
（mm）
|
磁化规范
（安.匝）
|
|
1
|
14吋左右体
|
416×329×277
|
1386
|
4707
|
|
2
|
14吋中体
|
657×510×416
|
1386
|
6545
|
|
3
|
4吋左右体
|
117×76×181
|
650
|
3762
|
|
4
|
4吋中体
|
268×166×144
|
650
|
6869
|
表2、以电缆绕在中体内周向磁化中体时根据经验公式计算的磁化规范
|
序号
|
工 件 名 称
|
工件尺寸
（mm）
|
工件长度
（mm）
|
磁化规范
（安.匝）
|
|
1
|
14吋中体
|
657×510×416
|
416
|
3210
|
|
2
|
4吋中体
|
268×166×144
|
144
|
1583
|
4.2工件切向磁场强度测试及灵敏度试片测试：
检测设备及器材为：CYD-3000型移动式磁粉检测仪，95mm2铜芯电缆6米，C型灵敏度试片， HT201 Gaussmeter磁强仪，TES-1339R照度计，MT-BO黑油磁悬液。
以图2 方式对中体、左右体组合进行绕电缆纵向开路磁化，以图3方式对中体进行绕电缆周向闭路磁化。
用HT201 Gaussmeter磁强仪，C型灵敏度试片分别测试被检工件表面距离线圈端面50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm等不同部位的切向磁场强度和灵敏度试片人工缺陷磁痕显示情况：
表3、阀门中体、左右体及组合线圈法纵向磁化检测数据表（电缆绕在中体上纵向磁化左右体）
|
工 件 名 称
|
14吋左右体
|
磁 化 规 范
|
1700安×2匝
|
|
工件加长堆叠方式
|
左右体+中体+中体+左右体
|
纵向磁化长度
|
1386（mm）
|
|
离线圈端面距离 （mm）
|
50
|
100
|
150
|
200
|
250
|
300
|
350
|
400
|
450
|
|
磁强计测量切向磁场强度（G）
|
210
|
121
|
101
|
44
|
10
|
9
|
41
|
/
|
/
|
|
C型试片灵敏度磁痕显示
|
K
|
K
|
J
|
J
|
J
|
K
|
L
|
/
|
/
|
|
|
|
工 件 名 称
|
4吋左右体
|
磁 化 规 范
|
1600安×2匝
|
|
工件加长堆叠方式
|
左右体+中体+中体+左右体
|
纵向磁化长度
|
650（mm）
|
|
离线圈端面距离 （mm）
|
50
|
100
|
150
|
200
|
250
|
300
|
350
|
400
|
450
|
|
磁强计测量切向磁场强度（G）
|
136
|
119
|
49
|
/
|
/
|
/
|
/
|
/
|
/
|
|
C型试片灵敏度磁痕显示
|
J
|
J
|
J
|
/
|
/
|
/
|
/
|
/
|
/
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
备注：J-试片显示清晰 K-试片显示不完整不清晰 L-试片不能显示人工缺陷磁痕
表4、阀门中体、左右体及组合线圈法纵向磁化检测数据表（电缆绕在中体上纵向磁化另一个中体）
|
工 件 名 称
|
14吋中体
|
磁 化 规 范
|
1700安×2匝
|
|
工件加长堆叠方式
|
左右体+中体+中体+左右体
|
纵向磁化长度
|
1386（mm）
|
|
离线圈端面距离 （mm）
|
50
|
100
|
150
|
200
|
250
|
300
|
350
|
400
|
450
|
|
磁强计测量切向磁场强度（G）
|
160
|
91
|
57
|
45
|
34
|
30
|
28
|
/
|
/
|
|
C型试片灵敏度磁痕显示
|
K
|
K
|
J
|
J
|
J
|
K
|
L
|
/
|
/
|
|
|
|
工 件 名 称
|
4吋中体
|
磁 化 规 范
|
2000安×2匝
|
|
工件加长堆叠方式
|
左右体+中体+中体+左右体
|
纵向磁化长度
|
650（mm）
|
|
离线圈端面距离 （mm）
|
50
|
100
|
150
|
200
|
250
|
300
|
350
|
400
|
450
|
|
磁强计测量切向磁场强度（G）
|
159
|
95
|
66
|
63
|
34
|
30
|
28
|
/
|
/
|
|
C型试片灵敏度磁痕显示
|
K
|
K
|
J
|
K
|
K
|
K
|
L
|
/
|
/
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
表5、阀门中体线圈法周向磁化检测数据表
|
工 件 名 称
|
14吋中体
|
磁 化 规 范
|
1600安×2匝
|
|
工件磁化方式
|
线圈绕在中体内周向磁化中体
|
周向磁化长度
|
2060（mm）
|
|
离线圈端面距离 （mm）
|
50
|
100
|
150
|
200
|
250
|
300
|
350
|
400
|
450
|
|
磁强计测量切向磁场强度（G）
|
130
|
81
|
58
|
45
|
37
|
30
|
26
|
21
|
17
|
|
C型试片灵敏度磁痕显示
|
K
|
K
|
J
|
J
|
J
|
K
|
L
|
/
|
/
|
|
|
|
工 件 名 称
|
4吋中体
|
磁 化 规 范
|
1800安×2匝
|
|
工件磁化方式
|
线圈绕在中体内周向磁化中体
|
周向磁化长度
|
842（mm）
|
|
离线圈端面距离 （mm）
|
50
|
100
|
150
|
200
|
250
|
300
|
350
|
400
|
450
|
|
磁强计测量切向磁场强度（G）
|
209
|
129
|
93
|
72
|
56
|
35
|
12
|
/
|
/
|
|
C型试片灵敏度磁痕显示
|
K
|
K
|
K
|
J
|
J
|
J
|
J
|
/
|
/
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
五、 结论
通过检测实践和对表1～ 表5数据分析可以得出以下结论：
⑴、用经验公式计算的磁化规范值，经实践验证基本符合：在有效磁化区域内能获得清晰的灵敏度试片磁痕显示。只是有效磁化区域的宽度值比相关规范推荐值（150～ 200mm）要大一些。如果按标准规范规定的距线圈150～ 200mm范围内灵敏度试片人工缺陷磁痕显示清晰为度的话，所需的磁化规范值比用经验公式计算的磁化规范值小。应该是由于不同铁磁性材料的磁导率差异造成的磁感应强度不同而不同。所以相关标准要求经经验公式计算所得磁化规范值在检测实施过程中要以灵敏度试片实测为准是十分必要的。
⑵、靠近线圈部位的工件表面切向磁场强度大，灵敏度试片人工缺陷磁痕显示并不清晰、完整。应该与该部位磁力线密度过大磁场过饱和，灵敏度试片上人工缺陷磁痕与背景磁痕的衬度低、对比度小、灵敏度降低，造成灵敏度试片人工缺陷磁痕显示不清晰不完整有关。实际检测过程中应避免使用过大的磁化规范及在靠近线圈端面50mm范围内检测与评价缺陷。
⑶、环形工件缠绕电缆法周向闭路磁化是一种磁力线不泄漏的磁化检测方式，如果忽略损耗，理论上在该环形工件表面的切向磁场强度是不变的。但根据实测数据可知，环形工件的表面切向磁场强度随距离线圈的距离增加而呈降低的趋势。环形件周向闭路磁化有效磁化范围虽然不能保证一次磁化整个环形工件，但仍较纵向磁化有效范围大得多，在检测实践中，周向闭路磁化的有效磁化范围仍以灵敏度试片实测为准。
⑷、根据ASME V T-764.1.3施加外加磁场的同时，测量被检工件表面的切身磁场强度大小在30~60G（3~6mT）、（2.4~4.8KAm-1）范围内时，为恰当的外加磁场强度。经过实测当被检工件表面的切向磁场强度为30~60G时，均能获得清晰完整的灵敏度试片人工缺陷磁痕显示。
⑸、磁粉探伤设备中的核心部件-变压器是利用互感原理按低电压大电流的降压方式工作的。在变压器容量、输出功率一定的情况下，当采用输出电缆作为柔性线圈使用时，电缆的缠绕匝数与磁化电流成反比，即：随缠绕电缆匝数的增加磁探机输出有效磁化电流将减小。
⑹、缠绕电缆法可方便实现对阀门内外表面的纵向、周向磁化，检出各个方向的表面缺陷，检测效率高，检测结果可靠；内、外表面磁痕观察条件好，尤其是流道内的磁痕显示目视可达性好。
参考文献
[1]《磁粉检测》宋志哲 主编.-2版.-北京：中国劳动社会保障出版社，2007
[2] ASME锅炉及压力容器规范国际标准性规范.V《无损检测》.2004.
公司简介