大型結構件無損檢測技術分析*

李　佳　李　軍

重慶交通大學 機電與車輛工程學院

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大型結構件無損檢測技術分析*

李佳李軍

重慶交通大學 機電與車輛工程學院

摘要：針對大型結構件使用過程中的損傷與事故等問題，介紹了大型結構件非常規無損檢測的技術，以超聲衍射時差法、超聲相控陣檢測、電磁超聲檢測、金屬磁記憶檢測無損檢測方法為例，闡述了其基本原理、特點和應用。

關鍵詞：大型結構件； 超聲衍射時差法； 超聲相控陣檢測； 電磁超聲檢測； 金屬磁記憶檢測

1引言

重慶市自然科學基金重點項目(CSTC2013yykfB0184)

無損檢測技術是應用光、電、磁、聲學等領域的學科知識的一項綜合性的檢測技術，在復雜機械設備、特種機械設備特別是大型結構件中有著廣泛的應用。

在大型結構件中，應用最多的是金屬材料。由于金屬材料在不同應力的作用下可能會產生金屬疲勞，從而產生斷裂現象，尤其在大型結構件中的焊接部位更易斷裂[1]。定期對設備進行檢測，可以判斷其可能出現的問題，有效避免事故的發生。常規的無損檢測技術無法實現構件焊縫快速、全面檢測，如磁粉檢測(MT)只能用于表面及近表面檢測，要求被檢測工件具有一定的表面粗糙度，且只能定量分析，難以對缺陷的性質和埋藏深度進行正確的判斷。滲透檢測(PT)只能用于表面及近表面檢測，不能檢測質地疏松材料，且只能檢測開口性缺陷(如表面裂紋)。渦流檢測(ET)只適于導體材料表面及近表面的缺陷的檢測，不適用于輪廓比較復雜的零件，且其結果也容易受到試件自身等因子的干擾[2]。

鑒于大型結構件類設備的特殊性，對金屬結構件的焊縫裂紋、應力集中等缺陷采用非常規性的無損檢測技術與方法，是解決大型結構件實時檢測與監測的關鍵技術之一。

2非常規無損檢測技術

非常規無損檢測技術是基于常規的無損檢測與其他領域(如醫學中CT成像可用于復合材料)融合發展而來，主要包括超聲衍射時差法(TOFD)、超聲相控陣檢測方法、電磁超聲檢測方法、金屬磁記憶檢測方法。

2.1超聲衍射時差法(TOFD)

TOFD技術出現于20世紀70年代。TOFD檢測不是以缺陷回波幅度作為定量判斷的依據，而是依靠衍射信號的傳播時間，其基本原理為惠更斯原理。TOFD檢測技術采用發射和接收2類探頭來產生非聚焦的縱波。檢測時采用一對或多對寬聲束、寬頻帶、縱波的斜探頭相對于焊縫對稱布置，并設置好探頭的頻率、選好晶片大小、調好探頭的間距等。當聲束在焊縫中傳播遇到缺陷時，缺陷觸發反射波，缺陷端角觸發衍射波，此時另一邊探頭同時接收反射波和衍射波并通過計算機測量衍射波傳播時間以及利用三角方程來定出缺陷的尺寸、位置，缺陷的檢出與判別不受聲束發射角度、檢測方向、缺陷表面的粗糙度等因素的影響。該檢測克服了普通超聲波檢測結果不直觀和不能精確測量、射線檢測工件表面垂直的面狀缺陷和裂紋不能被檢測的弊端，在缺陷檢出率、缺陷深度、長度測量的準確性上優勢突出[3]。當其與脈沖回波相結合進行檢測時，還可實現焊縫100%的全覆蓋。此項技術已廣泛應用于船體結構、船舶管道焊縫等。

在TOFD技術應用方面，洪作友等應用TOFD技術對電站蝸殼焊縫檢測做了驗證性試驗，在與常規超聲、射線檢測對比試驗中，TOFD檢測技術能很好檢測出蝸殼焊縫缺陷等問題，以及缺陷的大小和較詳細的情況，現已經應用于電站機組蝸殼焊縫的檢測中，且檢測的平面缺陷和缺陷檢出率準確性較高[3]。李友等人針對船舶大合攏焊縫交叉部位的檢測采用TOFD檢測技術，在檢測工藝上訂制了專用的TOFD檢測工藝，給出了交叉部位缺陷長度、深度的計算表達式，并完成了TOFD與射線檢測結果的對比性分析，分析結果表明，TOFD檢測技術對船舶大合攏焊縫的無損檢測具有很好的優越性[4]。

但是，由于直通波(LW)、底面反射波(BW)的存在，當只采用TOFD檢測近表面時存在盲區，使該區域檢測的可靠性較差；對于體積狀缺陷由于聲波的衍射能量不同可能出現一定的漏檢；還存在檢測探頭與被測表面要有較好耦合條件的局限，且參數設定對于檢測效果也有一定影響。因此運用TOFD檢測技術對缺陷等進行檢測時可將其他檢測技術作為輔助，使檢測結果更加準確可靠。

2.2超聲相控陣檢測方法

超聲相控陣是由超聲探頭晶片組合而成的，是將多個壓電晶片人為地按照一定分布規律排列，通過控制換能器陣列中超聲探頭發射或接收脈沖的不同時間，來改變其發射超聲波到達被測物體內某點(或改變接收超聲波來自被測物體內某點)時的相位關系，從而促使聲束發射方向的變化和聚焦點的改變，最終實現超聲波成像的技術。

超聲相控陣探頭探傷主要是利用其聲束角度可控和動態聚焦2大特點[5]。而其技術的關鍵在于對相控陣系統各單元的相位延時的把握。理論分析表明，要實現相位偏轉、動態聚焦、聲束形成等相控效果，必須要控制好各單元的相位延遲，最終提高其檢測精度、分辨率和相控陣的穩定。

超聲相控陣技術典型應用有壓力容器檢測、腐蝕檢測、T型焊縫查掃、異種金屬粗晶材料焊縫檢測等，還可用于核工業與航空工業等領域。探頭排列類型主要是線性(常用)、二維矩形列和環形陣列。對于某些特殊的檢測對象或特殊的檢測環境，有必要采用不同類型的相控陣陣列探頭，比如適用于狹小空間的探傷檢測的小腳印探頭等[6]。實驗表明，將超聲相控陣的脈沖反射法和衍射時差法(TOFD) 相結合，能夠實現對缺陷的全方位分析(定位、定性、定量)，實現精確的無損探傷[7-8]。

此技術實現了復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測，具有很高的靈敏度與檢測速度，在分辨率、信噪比、缺陷的檢出率等方面具有一定的優越性[9]。它作為一種高速、精準的探傷檢測手段，不單單用于焊縫檢測，在鑄件、鍛件等其他構件常見缺陷的檢測上同樣適用。

2.3電磁超聲檢測方法

電磁超聲檢測與傳統的壓電超聲相比，雖同屬于超聲范疇，但激勵和接收方式不同。它直接利用電磁耦合(不需要額外的耦合條件)來激發和接收超聲波。金屬導體在交變磁場中內部將產生脈沖渦流，激發的電流在磁場中受到洛倫磁力的作用；同時，金屬介質在應力的作用下將產生應力波(可稱超聲波)，脈沖電流向外輻射一個脈沖磁場，并與外磁場交互作用產生磁致伸縮力，在此力的作用下產生不同的電磁超聲。

電磁超聲檢測裝置主要由高頻線圈、磁鐵、試件本身組成。電磁超聲檢測是非接觸性檢測技術，不需要耦合劑，可穿透過覆蓋層等，能夠產生表面波、SH/SV波、Lamb波。電信號的頻率可以影響聲束的輻射角，在保持其他條件一定的情況下，可以在同一種換能器的條件下實現波形模式的自由選取，這樣就可以針對性地選取最優波形進行檢測。

電磁超聲檢測對被測工件表面質量要求不高，在列車車輪踏面、鋼軌狀態、橋梁伸縮縫及鋼板表面缺陷等檢測中應用廣泛[9]。同時由于該技術適應高溫探傷而被廣泛應用于特種設備的檢測中，比如煉油廠管道、電站鍋爐爐管等高溫壓力容器。電磁超聲作為一種非常規的無損檢測技術，有換能效率低、信噪比大、分辨率低等缺陷，需要通過外電路對信號進行處理[11]，故常將其與傳統的方法結合應用。

2.4金屬磁記憶檢測方法

鋼結構件在運動時，在工作載荷與外磁場同時作用，產生疲勞而形成微小裂紋。在應力集中區域發生具有磁彈性效應與磁致伸縮性質的磁疇定向和不可逆的再次取向。在工作載荷移除后不但不會消失，還與其所受到的最大作用應力成一定的相關性；之后由于其殘余磁性的存在將在表面形成漏磁場，從而在金屬表面產生的磁狀態存留著微觀缺陷或金屬應力集中區域的位置，即為金屬磁記憶效應[12]。

金屬磁記憶無損檢測技術利用了金屬磁記憶效應，能夠對微觀缺陷、早期失效和損傷等進行診斷。金屬磁記憶檢測技術對于金屬結構焊接接頭而言，其磁化強度沿著焊接熱循環所造成的殘余應力的作用方向是不可逆變化，存在一定的殘余磁化強度[13]。對焊接工件表面固有漏磁場HP分布進行測量分析時，移動檢測傳感器，當儀表記錄法向分量HP(y)改變符號且為零值時，可確定金屬結構和焊接工件的應力集中區、缺陷和不均勻性等問題[14]。該技術在壓力管道裂紋及焊接缺陷有所應用，在電梯、起重機械、大型游樂設施方面應用較少。

此檢測受到鐵磁構件內部殘余應力與表面漏磁場之間對應關系的影響，并且受材質、殘余應力大小、方向和外激勵等因素的影響，其檢測存在一定的容錯率。該檢測技術能夠對大型結構件、承壓部件等進行早期失效診斷分析，并在其他檢測技術的輔助下，使檢測結果更準確。

3結語

超聲衍射時差法、超聲相控陣檢測、電磁超聲檢測、金屬磁記憶檢測等無損檢測方法具有不同的特點和應用場合。這些非常規檢測技術在結合傳統檢測技術的情況下，可以提高檢出率和檢測準確性，減少不確定性因子，使動態全局檢測更加精準，并能在大型結構件無損探傷檢測中得到廣泛應用。

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李佳: 400074，重慶市南岸區七公里學府大道66號

Discussion on Nondestructive Testing Technology of Large-scale Structure

School of Mechanical and Automotive Engineering Chong Qing Jiao Tong UniversityLi JiaLi Jun

Abstract：To solve the problem of damages and accidents during the usage of large-scale structure, the unconventional nondestructive testing technology is introduced, and the basic principles, features and applications are discussed, taking TOFD testing, ultrasonic phased array, electromagnetic ultrasonic, MMM testing as instances.

Key words:large-scale structure; TOFD testing; ultrasonic phased array; electromagnetic ultrasonic; MMM testing

*基金項目：

收稿日期：2016-02-23

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.005