超聲波無損檢測技術的發展與應用

瞿輝 戴曉嬌 趙金菊

摘 要：簡要闡述了超聲波無損檢測技術的原理與優點，著重分析了超聲波檢測技術在建筑工程樁基質量檢測、電氣設備局部放電故障檢測以及鐵路鋼軌檢測過程中的應用情況，超聲波無損檢測技術可以快速檢測出故障位置和范圍，提高檢測效率。

關鍵詞：超聲無損檢測技術;工作原理;質量檢測

0 引言

20世紀30年代，隨著超聲波技術逐漸向圖像化、自動化以及數字化方向發展，前蘇聯科學家Sokolv利用超聲波探查金屬內部質量缺陷問題。20世紀40年代，美國推出了脈沖回波式超聲檢測儀。隨著超聲波檢測儀器的推出，超聲波檢測技術逐漸成為工業領域最常用的探傷檢測技術之一。隨著計算機信息技術的發展，現代成像技術、人工智能技術、傳感技術以及神經網絡技術在超聲波檢測中得到廣泛應用，超聲波檢測技術逐漸向數字化、智能化方向發展，具體表現在，工業生產過程中超聲波無損檢測儀器可以對產品進行實時監控，識別并剔除生產過程中有缺陷的產品，提高產品生產質量和生產效率。

1 超聲波無損檢測技術的工作原理與優點

1.1? ? 超聲波無損檢測技術工作原理

無損檢測是利用聲、光、磁和電的特性，在不損害或者不影響被檢測物性能的前提下，檢測被檢物內部是否存在質量缺陷或性能下降，檢測儀器可以實時反映缺陷的大小、位置、性質以及數量等信息，從而判斷被檢測物體的性能狀態。超聲波指頻率大于20 kHz并連續在介質傳播的機械波。超聲波無損檢測技術是通過超聲波與檢測物相互作用，超聲波儀器發出聲波，聲波具有良好的導向性，沿著介質直線傳播，超聲波介質在傳播過程中會衰減和散射，如果檢測物體存在缺陷，則傳播方向或聲波介質特征發生改變，改變后的超聲波將聲波信息反饋到超聲波儀器中，超聲波儀器對其進行處理，從而對檢測物體的宏觀缺陷、幾何特性、組織結構以及力學性能變化進行綜合評價。

1.2? ? 超聲波無損檢測技術的優點

與其他無損檢測技術相比，超聲波無損檢測技術具有以下優點：

（1）檢測范圍廣，可以用于金屬、非金屬等復合材料構件的無損檢測。（2）穿透力強。超聲波檢測技術可以穿透到物體內部進行缺陷檢測，不僅可以檢測1～2 mm的薄壁管材，還可以檢測幾米厚的鋼鍛材。（3）可以精準定位檢測物體缺陷位置，并對面積型缺陷的物件質量缺陷檢出率高。（4）靈敏度高。超聲波無損檢測技術可以檢測尺寸很小的物體缺陷，檢測成本低，對人體和環境不會產生有害物。

2 超聲波無損檢測技術的應用

由于超聲波無損檢測技術靈敏度高、操作簡單、檢測效率高、檢測范圍廣等，被廣泛應用于建筑工程、電氣工程以及泄漏檢測等領域，彌補了傳統檢測技術的不足，有利于實現機械設備的預防性檢修。

2.1? ? 超聲波無損檢測技術在建筑工程樁基檢測中的應用

樁基是建筑工程的基礎，承擔建筑結構上層負荷。樁基工程屬于隱蔽性工程，一定程度上增加了施工質量檢測的難度。隨著我國建筑行業的發展，樁基越來越復雜，任何一個環節都可能影響到樁基質量。因此，需要加強樁基工程質量檢測，檢測內容包括樁基成孔質量、樁基承載能力以及樁基完整性。將超聲波無損檢測技術應用于樁基檢測過程中，利用超聲波在相同技術條件下混凝土傳播的時間、接收聲波的振幅和頻率等判斷樁基內部的質量缺陷。超聲波在樁基傳播的速度與混凝土的密實度有關，如果超聲波傳播速度快，則表示混凝土比較密實;反之，則表示混凝土不密實。當樁基混凝土結構存在縫隙等問題，則會破壞混凝土結構的整體性，超聲波介質沿著樁基傳播過程中，會自動繞開孔洞或裂縫進行傳播并反射到超聲波檢測儀器的接收器上，聲波傳播的路徑延長，則檢測時間過長或者超聲波速度下降。因此，利用超聲波介質傳播過程中混凝土結構聲學參數變化，確定樁基質量缺陷位置、范圍及大小。世界上最高的橋梁——四渡河特大橋的樁基檢測技術采用超聲波無損檢測技術，由于大橋主垮長度為900 m，塔頂到峽谷谷底的高差達到了650 m，是全世界首座跨度達到900 m以上的特大懸索橋。常規檢測技術無法對樁基進行檢測，因此采用超聲波無損檢測技術，檢測人員只需要將超聲波探測儀器設備連接在橋梁樁基基礎上，根據橋梁樁基間距確定換能器和采集參數，打開超聲波檢測儀器，儀器自動采集樁基相關數據信息，并傳輸到電腦設備，根據聲波傳輸的參數和圖形，可以判斷出樁基存在的的質量缺陷，并對可疑樁基進行再次檢測，確定樁基情況，并采取有效的方式進行處理。

2.2? ? 超聲波檢測技術在電氣設備性能檢測中的應用

由于大多數電氣設備在室外運行，受到風、雨、雷電等自然因素的破壞和人為操作不當等造成電氣設備損壞，可能出現絕緣體破裂、局部放電、短路等問題，影響到供電安全性和穩定性。因此需要定期對電氣設備的各項指標進行檢測，發現電氣設備存在的問題，并及時進行檢修，確保電氣設備運行的安全性。以電氣設備放電故障為例，電氣設備常見的局部放電故障有電暈、電弧和電痕，發生電暈和電痕故障時，初期電氣設備不會產生大量的熱量，因此紅外熱成像技術無法檢測到故障，但是發生電暈和電痕會產生超聲波信號，利用超聲無損檢測技術對放電設備進行檢測，通過遠距離不接觸檢測，超聲波作用在檢測儀器設備上，聲波將反射聲波發送到接收器上，接收器可以顯示檢測電氣設備可能出現的絕緣性能或者松動問題。這種檢測方法主要針對電纜局部材料變形產生的壓力，不受電氣干擾，能夠用于在線監測。但是由于聲波從固體傳向氣體時，其聲波會受到影響，導致聲波變弱，會影響檢測效果。

2.3? ? 超聲波無損檢測技術在鐵路檢修中的應用

鐵路是我國交通基礎設施，截至2018年底，我國鐵路運行里程達13萬km。鋼軌作為鐵路運輸的重要組成部分，由于運行距離遠、客載負荷大，易出現側磨、剝離掉塊、腐蝕、垂直裂紋、周邊裂紋等問題，影響到鐵路運行的安全性。因此，鐵路鋼軌需要定期檢測，但是傳統的檢測技術無法對鐵路鋼軌內部進行檢測，無法發現內部存在的質量缺陷，將超聲波無損檢測技術應用于鋼軌檢測過程中，可以發現鋼軌內部缺陷。將超聲波檢測儀器探頭放在被檢測鋼軌的某一個檢測面或探傷面，探頭向被檢測鋼軌發射超聲波信號，當超聲波通過檢測面進入到鋼軌內部，如果鋼軌內部存在缺陷或者裂縫，則會將超聲波信號反射到探頭接收器，接收器接收超聲波信號后，發送到電腦端，電腦端將接收的缺陷信號和原有底波信號進行對比，根據超聲波聲程和探測過程的聲程，可以將缺陷信號和底波進行分開，并通過超聲波的試塊對其進行定位，實現鋼軌內部缺陷的定位和定量，快速找到鋼軌內部缺陷位置和大小，及時對鋼軌進行預防性檢修，確保鐵路運行的安全性和穩定性。

3 結語

超聲波檢測作為一種常見的無損檢測技術，由于適應性強、靈敏度高、檢測范圍廣等被廣泛應用于建筑工程、電氣工程、鐵路運輸工程等各個領域，是近年來無損檢測技術的重點研究方向。隨著計算機信息技術、人工智能技術等在超聲波檢測中的廣泛應用，超聲波無損檢測技術將逐漸向定量、圖像化、智能化方向發展。

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收稿日期：2019-12-30

作者簡介：瞿輝（1984—），男，上海人，工程師，研究方向：無損檢測之射線檢測。