金屬材料超聲無損檢測與微損測試新技術研究

鄭 陽 林樹青 鄭 暉 李素軍

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

金屬材料超聲無損檢測與微損測試新技術研究

鄭 陽 林樹青 鄭 暉 李素軍

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

隨著技術的進步和社會的發展，無損檢測和材料性能測試技術作為質量控制中的主要手段不斷進步，然而目前的技術手段仍無法滿足金屬材料的檢測需求。在中國特種設備檢測研究院牽頭下，20家產學研用單位共同申報了“十三五”國家重點研發計劃“國家質量基礎的共性技術研究與應用（NQI）”專項項目“金屬材料超聲無損檢測及微損測試關鍵技術研究與儀器研制”并獲得立項。本文主要介紹該項目的背景、目標及總體研究方案、預期主要研究成果等相關內容。

無損檢測 超聲檢測 電磁超聲 磁聲發射 微損測試

1 引言

金屬材料是工業裝備的主要用材，其質量控制水平直接決定了裝備產品的整體質量水平。無損檢測和材料性能測試是質量控制的主要技術手段，在裝備制造和檢維修階段用于檢測母材和結構中的缺陷及測定材料性能，在裝備服役階段用于檢測腐蝕、裂紋、疲勞等損傷及測定材料性能劣化程度，近年來進步迅速，應用領域越來越廣泛，對質量控制的作用越來越大，已廣泛應用于航空航天、石油化工、電力、交通、軍工等領域，貫穿產品生產、制造、使用、檢修和維護全過程。

隨著工業裝備水平的發展，無損檢測和材料性能測試技術也不斷進步，技術發展趨勢及需求主要表現為：由發現缺陷向精確定量、準確定性缺陷發展；由定期檢測擴大到損傷在線監測；由常溫環境檢測擴大到高溫等極端環境下檢測；由缺陷形成后檢測擴大到早期損傷檢測；由材料性能常規大試樣測試發展至微損取樣測試。超聲檢測是無損檢測的主要方法之一，涵蓋了近50%的無損檢測應用，主要用于發現材料缺陷。微損測試是基于小試樣獲得材料力學性能的方法，對在役設備材料性能測試，具有獨特的優勢。就超聲與微損檢測技術而言，針對技術發展趨勢及工程應用中的迫切需求，目前還存在以下主要問題：

其一，在缺陷精確定量、準確定性方面，現有超聲檢測技術如A型脈沖可以發現缺陷，但對缺陷的定量和定性能力較差，TOFD檢測技術在內部缺陷高度測量上有較好的精度，相控陣超聲一般可以獲得缺陷多個視角的二維圖像，但它們在缺陷三維形狀測量上，還有很大不足。

其二，針對在役設備易接觸部位腐蝕、開裂的定時檢測目前有眾多技術可以實現，但對于高空、埋地等難接觸部位檢測缺乏有效技術手段，同時腐蝕、開裂是一個逐漸發生的過程，需要長期在線定量監測的技術手段。

其三，隨著現代工業的發展，眾多裝備向著高參數運行發展，如電力中正在努力發展的700℃超超臨界鍋爐技術，使得適用于高溫等極端環境下的檢測技術成為迫切需求，超聲檢測技術中，現有高溫壓電傳感器一般工作于450℃以下，激光超聲等技術因為不便現場使用，主要在實驗室使用。

其四，在役設備疲勞損傷破壞主要表現為突然性失效，需要及早判定材料疲勞程度，若等到宏觀缺陷出現后才能探測出，往往無法避免結構破壞。目前疲勞損傷的檢測技術如非線性超聲、渦流、磁參數等，主要停留在實驗室研究階段，尚未獲得成熟的工業應用，因此需要持續發展疲勞早期損傷檢測技術。

其五，材質劣化的評定需要對材料性能進行實驗測量，實驗室中可以采用常規拉伸、金相等實現，但這些手段對在役設備上的材料性能測試不適用。

針對上述情況，在中國特種設備檢測研究院牽頭下，20家產學研用單位共同申報了“十三五”國家重點研發計劃“國家質量基礎的共性技術研究與應用（NQI）”專項項目“金屬材料超聲無損檢測及微損測試關鍵技術研究與儀器研制”，研究發展陣列超聲三維透視成像、超聲導波多模態成像、電磁超聲高溫檢測、磁聲發射早期損傷檢測、材料性能微損檢測等技術，解決現有技術存在的問題，適應工程檢測的發展需求。

2 國內外研究概況

在陣列超聲三維透視成像檢測研究方面，該技術是工業超聲檢測領域極具應用前景的前沿技術，通過對相位、頻率、波形多參數調控精確產生預定聲場，綜合應用多種聲場解析方法，實現缺陷的三維透視成像。國外研究主要集中在儀器系統、成像方法和仿真軟件開發。醫學領域進展較快，GE公司和西門子公司已推出了基于聲場調控的高檔醫學超聲成像儀器系統，工業領域由于檢測的復雜性進展緩慢，且現有三維成像方法大多基于射線聲學理論，對于人體組織成像效果好，而對工業復雜結構成像精度低。在超聲陣列儀器開發方面國內已有一定基礎，但距離國際先進水平，還有很大差距。超聲檢測仿真軟件國外主要有CIVA軟件，國內尚無成熟商用軟件。

在陣列式超聲導波多模態成像檢測研究方面，超聲導波作為長距大面積快速檢測技術在工業管道檢測方面已獲得了成功的工業應用，英國和中國分別制定了相關檢測標準。目前應用中主要的問題是對缺陷的準確識別及定量評價能力差。為解決此問題，國內外學者在相關基礎研究如導波模態控制、檢測信號處理及成像方法方面開展了大量工作，并將這些技術用于陣列超聲導波成像檢測中，開發了缺陷在線監測系統，但還需進一步深入研究，開發高分辨率的缺陷成像檢測技術。

在電磁超聲在線檢測研究方面，國外電磁超聲技術研究始于上世紀70年代初，目前已研制了電磁超聲鋼板、鋼管、鐵軌等自動檢測裝備，相關專利已達千余項，ASTM也已頒布了三項標準。國內研究水平總體處于“跟跑”階段，相關專利200余項。在高溫檢測方面，國外對于該技術的研究主要集中在高溫檢測方法、高溫傳感器及設備研制方面，最高適用溫度已達720℃，國內目前電磁超聲檢測儀器設備發展緩慢，已開發出的電磁超聲測厚儀適用溫度也只到600℃，相關技術亟待突破。

在鐵磁性金屬材料早期損傷磁聲發射檢測研究方面，自19世紀70年代首次發現磁聲發射現象，磁聲發射檢測技術已形成比較完善的理論體系，國外用于炮筒、槍筒、飛行器承力主梁等構件的殘余應力檢測及渦輪機葉片的回火脆性評估。國內在聲發射檢測研究方面，進展較快，已成功開發了多種檢測儀器，并在工程中獲得了廣泛應用，但在磁聲發射檢測研究方面，僅開展了用于鐵磁性金屬構件疲勞和蠕變損傷檢測的初步研究，沒有形成技術能力，暫無工程化應用。在儀器設備方面，國內外目前均未有成熟的磁聲發射檢測儀。

在材料性能微損測試研究方面，材料性能的微損測試技術是在工業裝備正常服役情況下獲取材料參數的重要技術。主要應用于核電、化工、能源等重要設備安全評估。微損測試分取樣后測試與非取樣測試兩類。取樣測試技術中，日本采用電火花取樣，歐美采用機械式取樣，國內暫未掌握機械式取樣技術。取樣后材料性能測試主要有小沖桿法，國內外已頒布相關測試標準，但小沖桿測試影響因素多，為解決此問題中國特檢院提出材料性能微試樣液壓鼓脹測試方法。非取樣測試中，國際已有商業壓痕法測試裝備，但材料性能解算是基于國外材料數據庫，對國內材料測量適應性差，有待國產化開發。

3 項目目標及總體研究方案

3.1 項目目標

項目針對金屬材料損傷檢測及性能測試中幾類迫切解決的問題，重點攻克超聲三維透視成像的陣列柔性激勵及缺陷三維重構技術、陣列式超聲導波多模態融合成像檢測技術、電磁超聲高溫傳感及在線非接觸快速檢測技術、金屬材料早期損傷的磁聲發射檢測及評價方法、超聲檢測儀器和試塊性能測試評價的多指標綜合測評方法、材料微損快速取樣技術及力學性能的微試樣測試方法等關鍵技術，為金屬材料工業設備在制和在役過程的無損檢測與材料性能評估提供新型超聲檢測及微損測試技術手段。

3.2 總體研究方案

本項目根據上述關鍵技術，設置五個課題，其中：

課題一針對結構中宏觀缺陷的準確定性、精確定量檢測，研究陣列傳感器柔性激勵的超聲三維透視成像檢測技術并研制儀器。開發超聲檢測儀器、試塊性能測試評價平臺及檢測工藝驗證平臺，實現對檢測裝備及工藝的評價；

課題二針對材料開裂、腐蝕減薄等損傷的在線監測，研究壓電陣列式超聲導波多模態成像技術并研制監測儀器；

課題三針對高溫狀態下結構宏觀缺陷的在線檢測，研究電磁超聲高溫在線無損檢測技術并研制儀器；

課題四針對鐵磁性材料構件疲勞早期損傷檢測，研究磁聲發射檢測技術并研制儀器；

課題五針對材料性能的微損傷測試與評價，研究液壓鼓脹和在線壓痕的微損材料性能檢測及試驗制備技術并研制儀器。

通過以上五個課題的實施，最終為金屬材料設備在制和在役過程中的質量控制，提供有效的超聲檢測及微損測試方法和儀器。

圖1為項目總體研究及課題分解方案。可以看出，各課題之間既相互獨立，具有特定定位和功能，但又共同支撐金屬材料的檢測，形成一個完整檢測體系。課題1主要解決宏觀缺陷的準確定性與精確定量檢測的問題；課題2主要解決材料開裂與腐蝕減薄等損傷的在線監測的問題；課題3主要解決高溫狀態下結構宏觀缺陷的在線檢測的問題；課題4主要解決構件疲勞早期損傷檢測的問題；課題5主要解決材料性能檢測微損測試問題。

圖1 總體研究及課題分解方案

4 項目預期主要研究成果

項目預期成果包括設備類、平臺類、方法類、軟件類等多種形式，具體成果如下：

1）設備類成果：通過系統設計、試制樣機、開發系統、現場試驗、完善系統等過程，完成陣列柔性激勵儀、電磁超聲檢測儀、機械式取樣機、液壓鼓脹檢測儀、磁聲發射檢測儀、在線壓痕試驗機、聲場觀測儀、壓電陣列導波監測儀等設備的研發。

2）平臺類成果：通過搭建超聲檢測儀器和試塊性能測試評價平臺、檢測工藝驗證平臺，實現對超聲檢測全鏈條的支持，保證檢測設備、試塊、工藝的可靠性和正確性。

3）方法類成果：在超聲檢測系統性能測試評價的多指標綜合測評、陣列超聲檢測工藝設計及驗證、面向對象的陣列超聲檢測、壓電陣列多模態導波缺陷定量識別、電磁超聲檢測、磁聲發射檢測、基于微損試樣的材料評價等方面形成多種方法。上述新方法主要轉化為國家特種設備安全技術規范、國家/行業/企業標準若干項。

4）系統軟件類成果：配和設備的研發及成果應用，開發三維工件超聲聲場和回波預測仿真軟件，實現工業現場特殊構件檢測工藝的快速制定。

5 項目預期的經濟社會效益

5.1 本項目科學預期指標及科學價值

通過總結研發過程中的數據、成果，揭示“多頻段多模式超聲波與金屬材料典型損傷的交互作用規律”，提高相關領域科研工作者對檢測聲學的認知水平，推動檢測聲學理論、實踐的進步；攻克的關鍵部件和核心技術，將為科學儀器開發、科學研究提供支持。

1）直接科學價值：揭示“多頻段多模式超聲波與金屬材料典型損傷的交互作用規律”，提高檢測聲學領域的認知水平，擴展及補全其研究范疇，對于推動領域科學進步具有巨大價值。

2）間接科學價值：提出了新的材料性能檢測方法，提高了不同條件下的材料測試能力，以上技術方法不僅能應用于工業檢測領域，而且能夠為其他科學研究提供更為準確有效的檢測監測手段，提高科學實驗的準確性。開發的高溫檢測手段，可以突破現有測試能力的限制，使一些設想中的科學實驗得以實現，通過實驗技術的進步推動相關科學領域的進步。

3）研發過程中產生的科學價值：項目研究涉及聲學領域、電磁學領域、材料學領域、普通力學領域，研究過程是多領域交叉碰撞、融合的過程，對于新科學思想的產生、新的領域交叉熱點的形成、解決問題的新視角等均有極大的促成作用。

5.2 本項目產業預期指標及經濟與社會效益

研制的陣列柔性激勵儀器可替代相關領域60%左右的原有檢測手段，降低30%以上的檢測成本；提高檢測可靠性，保證設備安全更為有效，社會、經濟效益不可估量。

研制的陣列式超聲導波多模態成像檢測設備可應用于大型裝備的在線實時監測，監控設備的安全狀況，降低企業運維成本，避免財產損失和安全事故。

研制的高溫電磁超聲檢測系統及檢測方法，可實現高溫設備在線不停機超聲波檢測，焊接生產線超聲在線檢測，填補超高溫檢測方面的工程技術空白。

研發的磁聲發射檢測技術將補充和完善磁聲發射產生機制和檢測機制；提高磁聲發射技術的可靠性和穩定性，促進磁聲發射技術在早期損傷評估方面的發展；推進磁聲發射技術的工程化應用，填補國內外對鐵磁構件磁聲發射技術檢測早期損傷應用方面的空白。

實現的材料微損測試技術，對于承壓設備和鎳基合金結構的結構完整性評定以及風險分析等都將起著基礎性的重要作用。相關儀器的研發和應用可以大大提高承壓設備和鎳基合金結構完整性評定和風險評估的可靠性，對提升承壓設備安全、促進安全生產具有重要意義。

綜上，通過本項目的實施將進一步夯實質量技術基礎，有效地提升我國無損檢測行業在超聲和材料微損傷方面的技術能力，推動行業整體技術進步；研制的儀器設備將打破國外儀器和技術壟斷，實現高新技術轉化，核心部件具有完全自主知識產權，帶動我國高端設備的研發能力；新技術、新方法、新標準的推出將填補國內檢測領域多項技術空白，有效提升我國在產品質量控制技術方面的水平。

6 展望

該項目是國家重點研發計劃“國家質量基礎的共性技術研究與應用”（NQI）重點專項的重要組成部分，旨在突破復雜對象和極端條件等檢測技術瓶頸，滿足要求多樣化、早期化的檢測監測技術瓶頸，項目預期成果將填補國內檢測領域多項技術空白，部分達到國際先進水平。

該項目致力于解決金屬材料檢測急需的共性關鍵技術難題，但鑒于經費、時間和人力物力的限制，研究內容并不能完全覆蓋金屬材料檢測的所有技術難題。同時，隨著金屬制設備向大型化、復雜化、高參數等方向發展，也會不斷涌現出新的問題。因此，今后在本項目研究內容的基礎上，還希望國內有關機構和專業技術人員開展相應項目的深入研究，也希望國家持續不斷的支持金屬制設備質量檢測與控制方面的技術研究。

[基金支持：本項目由國家重點研發計劃

“國家質量基礎的共性技術研究與應用（NQI）

（2016YFF0203000）”項目資助]

Research on the New Technologies of Ultrasonic Non-destructive Testing and Micro-destructive Testing for Metal Materials

Zheng Yang Lin Shuqing Zheng Hui Li Sujun
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the main ways of product quality control, non-destructive testing and material performance testing technologies have continuous improved with the development of technology and society. However, current technologies are still unable to meet the practice needs. Therefore China Special Equipment Inspection and Research Institute and other twenty agencies proposed the project “Key Technologies Research and Instrument Development of Ultrasonic Non-destructive Testing and Micro-destructive Testing for Metal Materials”. It was sponsored by National Key R & D Programs "Common Technology research and application of National Quality Infrastructure”. This paper mainly introduces the background, the research goal and summarize, expected results and so on.

Non-destructive testing Ultrasonic testing Electromagnetic acoustic transducer Magnetoacoustic emission Micro-destructive testing

X924

A

1673-257X(2016)11-0001-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.001

鄭陽(1984～)，男，博士，高級工程師，從事無損檢測與評價技術研究工作。

簡介：林樹青（1958～），男，院長，從事特種設備安全技術研究及成果應用工作。

2016-11-14）