幾種新的無損檢測方法及應(yīng)用實例

農(nóng)金龍

(廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗院，廣西 南寧 530219)

幾種新的無損檢測方法及應(yīng)用實例

農(nóng)金龍

(廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗院，廣西 南寧 530219)

介紹幾種目前國內(nèi)外較新的無損檢測方法,從原理、特點及其應(yīng)用范圍等方面闡述其在各自領(lǐng)域上的優(yōu)勢和前景，對西部地區(qū)工程項目建設(shè)中涉及到無損檢測的單位和人員有較為實在的指導(dǎo)意義。

磁記憶；低頻漏磁；遠(yuǎn)場渦流；微波；聲發(fā)射

鐵路、橋梁及其它特種設(shè)備的安全直接影響到國家的經(jīng)濟運行和人民的生命財產(chǎn)的安全，通過無損探傷檢測，可對上述設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量評價、運行安全和壽命評估，預(yù)防事故發(fā)生，具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。目前，常用的、國家有明確的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的無損檢測方法有磁粉、滲透、超聲波、射線、渦流、聲發(fā)射等檢測方法。

無損檢測技術(shù)是以不損害被檢驗對象的使用性能為前提，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，借以評價它們的完整性、連續(xù)性、安全可靠性及某些物理性能的技術(shù)。

常用的無損檢測方法由于檢測到的是已經(jīng)存在的缺陷，不能預(yù)判未出現(xiàn)的缺陷。解決不了設(shè)備突發(fā)性破壞情況；對被檢對象表面，需要進(jìn)行去除護(hù)層、打磨等預(yù)處理，勞動強度大；效率低，成本高；另外。所檢對象形狀、結(jié)構(gòu)和檢測技術(shù)人員水平等因素影響檢測結(jié)果；容易發(fā)生漏檢；一般要求被檢測對象停止工作。檢測時有的工作條件惡劣而不能進(jìn)行常規(guī)的無損檢測，極易引發(fā)宏觀缺陷，發(fā)生斷裂或爆炸，引發(fā)事故。因此，介紹、引進(jìn)和開發(fā)新的無損檢測方法，在新的形勢下，對大型、高參數(shù)、高要求的鐵路、橋梁及其它特種設(shè)備的安全檢測，有著十分重要的實際意義。

本文結(jié)合國內(nèi)和本地運用的實際，介紹幾種新的、經(jīng)實踐證明可行有效的幾種無損檢測方法的原理、特點、運用范圍和實例，為廣大使用單位和管理者、應(yīng)用者提供參考和幫助。

（一）磁記憶檢測

1.原理：

圖1 磁記憶檢測系統(tǒng)圖

用鐵來制作工件在地球磁場中的運行時，當(dāng)工件受到拉伸、擠壓、扭曲和周期性變化負(fù)載等作用時及地球磁場的同時作用下，應(yīng)力集中區(qū)域的磁導(dǎo)率變小，工件表面的磁場加強，變強后的磁場記錄了工件的缺陷或應(yīng)力集中的位置，這就是所謂的“磁記憶”效應(yīng)，如圖 2所示。它可以常規(guī)的拉伸試驗來驗證，即把鋼制拉伸試件裝在拉力試驗機上，測量試件表面沿軸線漏磁場Hp (y)的分布。

圖2 磁記憶檢測原理圖

圖3 工作拉伸試驗圖

圖4 應(yīng)力對磁滯回線的影響

如圖3(a)所示，其中Hp(y)=0處為應(yīng)力集中線，然后對試樣加上和應(yīng)力集中線垂直的；力P再做拉力試驗。從圖3(b)可見，試樣的斷裂的地方正好出現(xiàn)在應(yīng)力集中線處[Hp(y)=0]。實踐中，直接測量工作表面沿軸線漏磁場Hp(y)的分布就是缺陷所在的位置。

2.特點

（1）能準(zhǔn)確定位被檢測對象中應(yīng)力和變形集中區(qū)。

（2）不用對被檢測對象表面進(jìn)行去除護(hù)層、打磨等預(yù)處理，降低了成本，降低勞動強度。

（3）結(jié)果可靠，檢測信號明顯，準(zhǔn)確性強。

（4）早期診斷和評價設(shè)備的安全性。

（5）無需停止要檢設(shè)備的運行。

（6）快速檢測(100 m／h)和過程自動化，效率高，不容易漏檢。

（7）不用專門的磁化裝置，檢測設(shè)備的體積小。重量輕、成本低。

（8）快速定位應(yīng)力集中點(線)。

（9）與被檢設(shè)備不用接觸，特別適合現(xiàn)場使用。

（10）使用的儀器尺寸小，攜帶方便，有自備電源和記錄裝置，能與電腦和打印機連接，基本不受設(shè)備結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場環(huán)境影響，便于野外使用。

3.應(yīng)用的范圍和實例

金屬磁記憶檢測方法作為一種新型的早期診斷方法，正以其獨特的優(yōu)勢在石油儲罐、壓力管道、鍋爐、汽輪機等行業(yè)發(fā)揮著作用；并開始應(yīng)用于石油天然氣長輸管道的監(jiān)測中，目前，該方法可以評定設(shè)備和結(jié)構(gòu)的壽命；確定工件上微小裂紋在萌生初期至擴展階段的過程中，裂紋周圍的磁場分布情況和應(yīng)力之間的關(guān)系；按組織結(jié)構(gòu)的不均勻性快速分選新的和使用過的機械制件；確定應(yīng)力集中區(qū)金屬取樣的部位以及評價其結(jié)構(gòu)。

實例：1）電力行業(yè)的部件檢測中，如汽包、汽水管座角焊縫的檢測；2）汽輪機葉片葉身的檢測；3）對大型油罐和石化管道的檢測。

4.前景及不足

當(dāng)前，金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種新興的無損檢測技術(shù)，還不夠完善，國產(chǎn)的磁記憶檢測儀器功能比較單一，國際上也還沒有形成部件磁記憶檢測法及評判應(yīng)力集中的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般還是將其作為其他常規(guī)無損檢測方法的輔助手段，配合使用。另外，使用該方法在某些整體應(yīng)力狀態(tài)較差的設(shè)備部件上檢測時，相對于常規(guī)檢測方法，信號響應(yīng)過于靈敏，有時甚至?xí)斐蓹z測難以進(jìn)行的情況。

（二）低頻漏磁檢測

1.原理

如下圖，用磁化器去磁化被測鐵磁材料時，如果材料的材質(zhì)是均勻無缺陷的，則材料中的磁感應(yīng)線將被限定在材料中，磁通是與材料表面的平行，差不多沒有磁感應(yīng)線從材料表面穿出，檢查表面時沒有磁場。若材料中存在著與磁力線成一定角度的缺陷時，材料表面的缺陷或內(nèi)部組織狀態(tài)變化會使磁導(dǎo)率大小改變，當(dāng)缺陷的磁導(dǎo)率很小，磁阻很大時，磁路中間的磁通會產(chǎn)生畸變，磁感應(yīng)線會改變連接的途徑，除開部分磁通直接通過缺陷或在材料內(nèi)部繞過缺陷外，另有磁通會離開材料表面，穿過空氣后，繞過缺陷，再次進(jìn)入材料，在材料表面缺陷處形成漏磁場。通常將磁粉檢測漏磁通的方法稱為傳統(tǒng)的磁粉檢測法，而將采用磁敏傳感器檢測則稱為漏磁檢測法。

圖5 漏磁檢測原理

2.特點

（1）信號從傳感器獲取，并由軟件判斷有無缺陷，易組成自動檢測系統(tǒng)。

（2）用電腦自動進(jìn)行缺陷的判斷和報警，大大降低人為因素的影響。

（3）對缺陷的可進(jìn)行初步定量，還可以對缺陷的危害程度進(jìn)行初步的評價。

（4）采用傳感器獲取信號高效能、無污染，檢測速度快。

（5）在管道的檢測中，在厚度高達(dá)30mm的壁厚范圍內(nèi)，可同時檢測內(nèi)外壁缺陷。

3.應(yīng)用范圍和實例

目前國內(nèi)較多的方向有：（1）大量用于鋼坯、鋼棒、鋼管的自動化檢測。（2）儲罐底板的檢測；（3）電站鍋爐的水冷壁腐蝕檢測；（4）長輸和埋地管道的檢測；（5）游樂場、索道、礦山、建筑等處鋼絲繩的檢測；（6）鐵軌及車輪的檢測。

4.前景和不足

不足：（1）與被檢測對象的表面有一定的距離，會產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)提離，降低了檢測靈敏度；（2）傳感器不適合檢測形狀復(fù)雜的試件。對于形狀復(fù)雜的工件，需要特制與其形狀匹配的檢測器件；（3）有關(guān)靈敏度、對危險性缺陷的檢出率等，尚需進(jìn)行大量的試驗驗證。

前景：隨著磁檢測傳感技術(shù)、勵磁技術(shù)以及信號處理技術(shù)的進(jìn)步，漏磁檢測靈敏度將會大大提高，對缺陷的寬度和深度定量檢測精度也會大大提高。這種檢測方法將會大大降低工作勞動強度，提高檢測過程的自動化，得到廣泛的應(yīng)用。

（三）遠(yuǎn)場渦流檢測

1.原理

如下圖，遠(yuǎn)場渦流法是低頻渦流檢測技術(shù)，運用內(nèi)穿過式探頭，由1個激勵的線圈和1個測量的線圈組成，在激勵線圈上通低頻交流電，能量流2次穿過管壁并沿管壁傳播，測量用的線圈能測得到來自激勵線圈的穿過管壁后返回管內(nèi)的磁場，能以相同的靈敏度檢測到管子內(nèi)外壁的缺陷及壁薄厚，而不受到趨膚深度的限制。

圖6 遠(yuǎn)場渦流檢測探頭

2.特點

（1）可以直接用電信號輸出檢測結(jié)果，適宜進(jìn)行自動化檢測。

（2）檢測的速度非常快。

（3）適用范圍特別廣泛，除了檢測缺陷以外，又能檢測材質(zhì)變化，尺寸形狀的變化等。

（4）特別適用管材、線材的檢測。

（5）用于碳鋼或其他強鐵磁性管子的蝕坑、裂紋等缺陷的檢測時效果明顯。

（6）安全、防護(hù)容易，對人體造成傷害不大。

（7）遠(yuǎn)場渦流檢測是一種提前預(yù)測的檢測方法，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題，并提前采取預(yù)防措施。

（8）不去動管柱即可施行檢測，大量作業(yè)時減少施工成本，降低重復(fù)工作對套管造成的損壞。

（9）對有錯斷、破裂、外漏和腐蝕的套管有較好的反應(yīng)。

（10）測井施工過程中，可與噪聲測井技術(shù)組合應(yīng)用，使解釋結(jié)果更可靠。

3.應(yīng)用范圍和實例

（1）可檢測碳鋼或其他強鐵磁性管內(nèi)外壁缺陷和管壁的厚薄的的情況，探頭在管內(nèi)擺動對檢測也基本沒有影響。（2）在長輸油管線(特別是鐵磁性材料管道)有十分的優(yōu)越性，目前是管道在役檢測是最有前途的技術(shù)。（3）在核反應(yīng)堆壓力管、石油及天然氣輸送管和城市煤氣管道的檢測。

4.前景和不足

隨著遠(yuǎn)場渦流理論的逐步完善和相應(yīng)的信號調(diào)理技術(shù)、信號處理技術(shù)、探頭設(shè)計的不斷完善，能滿足各種實際需要的、高精度、高速度、智能化的遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)，會在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

不足：（1）探頭長度太長，難以在彎管中通過，盡管可以采用機械分段和絞接，但仍難保證其既能通過，又能確保檢測線圈位于遠(yuǎn)場區(qū)。（2）檢測信號數(shù)值太小，通常為微伏或數(shù)+微伏數(shù)量級，信號的分辨和處理中仍很難。（3）探頭運行采用低頻激勵，限制了它的掃描速度；（4）檢測線圈只能反應(yīng)圓周缺損變化的平均值，直徑較小的管子一般多用。直徑較大管子管內(nèi)空間大，只能采用三維探頭，采用沿圓周分布一組檢測線圈，以直接敏感三維缺損，才能改善缺損特征的表達(dá)。

（四）微波檢測

1.原理

見下圖，綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用，一方面微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時的微波場會受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測量微波信號基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。

圖7 微波無損檢測方框圖

2.特點

（1）無損檢測成像技術(shù)：微波技術(shù)使分米分辨本領(lǐng)的非接觸成像技術(shù)成為可能。（2）用于尋找和救護(hù)：微波的一個應(yīng)用技術(shù)是尋找被地震、滑坡、建筑物倒塌而掩埋的生命。微波對微小的運動以及標(biāo)示生命存在的呼吸運動等信息很敏感，既使是失去意識的生命，也能探測到。（3）剩用反射波檢測物位 液位。（4）用微波實現(xiàn)大氣遙感：遙感是獲得大氣形成過程中瞬間狀態(tài)的唯一途徑。在分米、毫米和亞毫米波段能使空間大氣的感知成為可能。（5）新型微波車輛感知器, 設(shè)置在道路上，利用汽車反射回的微波，確定汽車的位置并根據(jù)多普勒頻移確定汽車的運動速度。將數(shù)據(jù)傳給交通管理中心，經(jīng)過分析進(jìn)行合理疏導(dǎo)與統(tǒng)計。（6）利用穿透特性測物質(zhì)的厚度。（7）可用微波分析濕度。

3.應(yīng)用范圍和實例

軍事工業(yè)、航空航天工業(yè)中，各種高性能的復(fù)合材料、陶瓷材料等的廣泛應(yīng)用，微波檢測技術(shù)得到很大的運用。在復(fù)合材料制品中，難免會出現(xiàn)氣孔、疏松、樹脂開裂、分層、脫粘等缺陷。這些缺陷在復(fù)合材料制品中的位置、尺寸以及在溫度和外載荷作用下對產(chǎn)品性能的影響，可用先進(jìn)的微波檢測技術(shù)進(jìn)行評定。

4.前景和不足

微波檢測可以實施“非接觸”的檢測和測試，在連續(xù)、快速測量和實現(xiàn)自動化檢測方面有很大的應(yīng)用前景；但其靈敏度受使用頻率限制，由于集膚效應(yīng)不能檢查金屬、碳纖維等導(dǎo)電材料內(nèi)部缺陷，分辨力較低。

（五）聲發(fā)射檢測技術(shù)

1.原理

將壓電陶瓷探頭耦合在材料表面上，將材料內(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺筮\用電子設(shè)備，將電信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛吞幚恚怪黠@化，并加以顯示和記錄，以獲得材料內(nèi)聲發(fā)射源的特性參數(shù)。通過分析上述檢驗過程中，聲發(fā)射儀器所得的各種參數(shù)，就可以知道材料內(nèi)部缺陷的情況。如果用多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位，如下圖。

圖8 聲發(fā)射檢測技術(shù)原理圖

2.特點

（1）聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)。

（2）聲發(fā)射探測到的聲源能量來自被測試物體活性缺陷的本身，而不是由無損檢測儀器提供（如：超聲或射線探傷方法）。因此，聲發(fā)射檢測技術(shù)具有實時、在線的特點，并有廣泛地應(yīng)用前景。

（3）除極少數(shù)材料外，大部分的固體材料都有聲發(fā)射現(xiàn)象。

（4）聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種整體檢測技術(shù)。適用工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報。

（5）對線狀的缺陷較為敏感，較容易探測到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下這些缺陷的活動情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。

（6）聲發(fā)射檢測方法對構(gòu)件的幾何形狀無特殊要求，適于用形狀復(fù)雜構(gòu)件的活性缺陷檢測與評價。

（7）對于生產(chǎn)較忙的單位的檢驗，該方法可以縮短檢驗的停產(chǎn)時間甚至不需要停產(chǎn)。

3.應(yīng)用和實例

（1）壓力管道的聲發(fā)射檢測，主要目的是發(fā)現(xiàn)壓力管道可能存在的泄漏源。

（2）航空器蜂窩結(jié)構(gòu)板、旋轉(zhuǎn)部件和液壓系統(tǒng)試驗中的應(yīng)用。

（3）檢測橋梁活性缺陷的擴展。

（4）巖體穩(wěn)定性和地質(zhì)滑坡監(jiān)測。

（5）對承壓閥門泄漏進(jìn)行檢測。

（6）焊接過程的聲發(fā)射監(jiān)測。

（7）用于滾動軸承和滑動軸承的故障診斷。

（8）在起重機械的監(jiān)測和完整性評價方面有一些成功應(yīng)用的實例。

（9）樓房、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開裂和擴展的連續(xù)監(jiān)視等。

4.前景和不足

壓力容器聲發(fā)射檢測是目前聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用最成功和普遍的領(lǐng)域之一。我國聲發(fā)射檢測技術(shù)當(dāng)前應(yīng)解決的問題和發(fā)展趨勢為：

（1）聲發(fā)射技術(shù)在工程應(yīng)用中尋求理論依據(jù)。

（2）完善并提高現(xiàn)有機型的功能和可靠性，開發(fā)各種工程檢測聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)分析與處理軟件包。

（3）進(jìn)一步完善和提高現(xiàn)有共振型換能器的制造水平。

（4）加快有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂步伐，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系。

（5）完善該項檢測檢驗人員培訓(xùn)和資質(zhì)認(rèn)證體系。

（6）拓寬聲發(fā)射檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，重點在橋梁、建筑物、埋地管道和大型常壓油罐。

（7）重點發(fā)展各種處理分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別，提高聲發(fā)射檢測在線檢測應(yīng)用水平。

[1] 朱建堂.激光、紅外和微波無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[M].無損檢測,l997,11.

[2] 袁振明,馬羽寬,何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京: 機械工業(yè)出版社,1985.

[3] 耿榮生.聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].無損檢測,2001,20(2).

[4] 張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1993.

[5] 耿榮生,沈功田,劉時風(fēng).聲發(fā)射信號處理和分析技術(shù)[J]. 無損檢測,2002,24(1).

TG115.28

A

1008-1151(2011)05-0127-03

2011-02-22

農(nóng)金龍（1973－），男（壯族），廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗院工程師，從事特種設(shè)備檢測研究。