金属磁记忆检测的优点，钢结构件安全管理领域零的突破 微磁基础传感器监测应力 探伤（四）

在生产制造和社会服务领域，包括大型设备在内的钢结构件安全保障对于基础设施安全、经济社会稳定运行意义重大。诸如桥梁悬索、拉索应力监测和探伤、螺栓应力监测和探伤、煤矿顶板应力监测和探伤在这些钢结构件事故预防中发挥着极其重要的作用。相关安全管理部门普遍重视应力监测和探伤，一些高科技公司研发生产应力监测和探伤技术设备满足安全运行需要。

钢结构件安全事故及其原因

通常高强度的应力疲劳和损伤可能会引发严重的安全事故。诸如桥梁主体垮塌事故、桥梁拉索断裂事故、高强度螺栓断裂事故、煤矿顶板垮塌事故等钢结构件安全事故的发生，多数是因为高强度应力疲劳和损伤并长期失检失修。

据媒体报道，2022年2月25日，贵州省贞丰县三河顺勋煤矿发生顶板垮塌事故，事故造成14人遇难。据相关专家推测，煤矿顶板垮塌的原因可能是煤矿顶板主体因长期重压应力过于集中结构受损断裂；也可能是煤矿顶板高强度螺栓应力长期过于集中导致疲劳和损伤而断裂。

通常高强度螺栓应力疲劳和损伤极可能引发严重安全事故。某轧钢厂对厂房结构检查时，发现一根桁架吊车梁下弦节点板上中间斜杆的角钢上有一条贯通裂缝。一段时间后，当钳式吊车通行时，这根梁严重下垂，梁的斜杆、竖杆以及弦杆等处的裂痕都明显增大。经调查，发现事故原因是在风荷载作用下，屋盖钢桁架与立体框架梁间产生相对移动，使吊管式悬挂节点连接中产生弯矩，从而使高强度螺栓承受了反复荷载，出现疲劳和损伤。

2021年12月，湖北省大广高速与沪渝高速花湖互通枢纽匝道垮塌，发生桥梁侧翻，现场3人死亡、4人受伤。相关专家分析认为匝道桥垮塌是因为该段桥梁长期重载，致使其钢结构件因为应力过于集中而受损，却长期得不到监测和修整，损伤累积到一定程度后爆发问题，出现垮塌。

因桥梁拉索断裂造成桥梁垮塌的严重事故也时有发生。如广州海印大桥斜拉索上端裸露的钢丝用脆性的水泥砂浆防腐，且该处水泥砂浆多年后未凝结，拉索高强钢丝长期裸露，最终导致高强钢丝腐蚀性断裂。

传统钢结构件探伤方法及其局限

传统钢结构件无损探伤技术包括图像法、射线、漏磁、涡流、超声波等，各自存在自身缺点。

图像法探伤的缺点是缺点速度太慢，一般只能测量静止物体，在恶劣天气或环境，如雨雪、粉尘环境下无法使用。

射线探伤一般用于传送带探伤，缺点是有辐射，会对人体健康产生危害。

漏磁探伤一般用霍尔传感器，其灵敏度低，需要励磁才能探测，操作不便利；只能判定有无，无法识别和诊断缺陷；励磁装置属于强磁，无法空运，其他运输方式也容易受到一定的限制；在多金属粉尘恶劣环境中，不能使用励磁，否则很难清理，探伤效果也会受到很大影响。

涡流探伤适用于各种金属零部件、汽车零部件、金属管材、棒材、丝材的在线、离线、野外探伤，可用于管内壁、钻板、轴承圈、孔板坯、方坯、圆坯等其他机械零部件的自动探伤。其缺点是需要施加涡流，不够便捷。

超声探伤利用超声波在介质中传播时的特性。只有缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过缺陷而不能反射。超声波探伤的缺点是探伤中需要消耗耦合剂和磨损探头，在很多探伤领域如钢轨探伤领域会频繁出现误报情况，探伤速度也较慢。

基于磁探测的应力监测和探伤的原理与优势

磁探测从空中到地面，再到水下，可以全范围覆盖、全天候进行。金属磁记忆探伤属于新型磁探测技术，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，能替代传统无损探伤技术。

所谓金属磁记忆效应是指：铁磁性材料在加工和运行时，在应力和变形集中区域会发生磁畴组织定向和不可逆的重新取向。金属构件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的磁记忆效应。

磁异常探测理论认为，当磁探测传感器位置与铁磁性目标的距离大于3倍目标几何尺寸时，可以把铁磁性目标简化成磁偶极子模型，不考虑地磁背景场情况下，磁场总强度B大小可以由下列公式计算出来。

式中，

μ—磁导率；

m—磁偶极子磁矩；

r—距离；

θ—方位。

它在空间一点 P 产生的磁场 Br分布示意图如下图所示：

由此公式可知，磁感应强度大小与距离成立方向衰减关系。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，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了下来。

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，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、损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤。金属磁记忆方法与图像法、射线、漏磁、涡流、超声波等方法相比较，具有这些优点：不需要专门的磁化装置；不需要对表面进行清洁处理；不需要采用耦合技术；可快速、准确检测出应力集中的部位；既可检测现有缺陷，亦可根据内应力变化预测未来可能发生的缺陷。

钢结构件应力监测和探伤装置主要由基于巨磁阻抗效应和轴向采集特性研制的微磁基础传感器阵列组成。钢结构件应力监测和探伤装置属于国内首创，其突破传统探伤原理的诸多局限，可以提供新的应力监测和探伤方案，以便使用者在不同场景中选择适合其需要的应力监测和探伤仪器。

国创智能应力监测系统可以监测煤矿顶板损伤预防垮塌事故

传统能源开发对于国民经济和社会发展具有重要意义。截至2020年5月，国内煤矿共有5300多处。众多煤矿的安全平稳运营至关重要，事关社会稳定、经济发展和民生保障。煤矿顶板安全作为煤矿安全保障的重要方面，亟需引起重视，并利用高效技术设备加以保障。

当前煤矿顶板安全监测一般是依靠传统探伤技术设备。因为传统探伤技术设备存在缺点，需要研发新的更高精度的应力监测和探伤技术设备。微磁基础传感器基于地磁信息采集、计算、传输、显示的原理，利用金属磁力学原理和金属磁记忆效应，监测螺栓应力变化，为包括大型设备在内的钢结构件管理部门提供安全保障。基于巨磁阻抗效应的国创智能微磁基础传感器具有灵敏度高、响应速度快、功耗低等优势。采用国创智能微磁基础传感器测量金属材料的内应力，分辨率可达公斤级。

以风电塔筒为例，当螺栓在正常使用时，其承受的拉力主要来源是塔筒倾斜产生的不对称重力，以及侧向风压产生的推力。因此，其圆周上每个螺栓都会有一个拉力，并会随塔筒倾斜度和风向、风力发生微小的变化，但总体都有一个相对固定的拉力，大小约为100kN。一旦有螺栓松脱，其拉力将分散给其它未松脱的螺栓，而其自身拉力将降至零或者一个很小的数值。

基于此原理24小时实时监测每个螺栓的拉力，一旦其数值发生变化，且与风向、风力不相关，且塔筒未出现严重倾斜，即可准确判断出该螺栓是否发生松动。此外，风电塔筒是一个超高钢结构体，也可以借助螺栓应力监测系统对其是否倾斜、结构受力及其分布情况进行24小时实时在线监控，进而构成一整套风电塔筒结构安全监控系统。

基于金属磁记忆效应原理工作的螺栓应力监测系统，其核心部件为国创智能微磁基础传感器。螺栓应力监测系统作为一个独立的分布式测量与控制系统使用，不仅可应用于风电塔筒应力监测，还可广泛应用于煤矿顶板之类大型钢结构件应力监测。

煤矿顶板垮塌事故可能由于顶板主体应力长期过于集中而受损断裂，也可能由于顶板螺栓应力长期过于集中而受损断裂。无论是哪种情况，基于国创智能微磁基础传感器核心技术的应力监测系统均可以提供解决方案，以24小时高精度实时在线监控保障煤矿顶板安全。

包括大型设备在内的钢结构件安全管理离不开应力监测和探伤技术设备。一些具有前瞻性的高科技公司关注基础设施安全保障需要，研发生产新的技术设备，服务生产制造和社会服务行业。国创智能长期从事微磁基础传感器、磁记忆应力监测和探伤设备的研发生产，应用于诸如煤矿顶板垮塌事故、螺栓断裂事故、桥梁拉索断裂事故、桥梁主体垮塌事故等钢结构件安全事故预防，在基础理论、工程实践和产品生产制造方面均具有丰富经验，得到业界高度关注。