超聲波無損檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(shù)的原理與優(yōu)點(diǎn)，著重分析了超聲波檢測技術(shù)在建筑工程樁基質(zhì)量檢測、電氣設(shè)備局部放電故障檢測以及鐵路鋼軌檢測過程中的應(yīng)用情況，超聲波無損檢測技術(shù)可以快速檢測出故障位置和范圍，提高檢測效率。

關(guān)鍵詞：超聲無損檢測技術(shù);工作原理;質(zhì)量檢測

0 引言

20世紀(jì)30年代，隨著超聲波技術(shù)逐漸向圖像化、自動化以及數(shù)字化方向發(fā)展，前蘇聯(lián)科學(xué)家Sokolv利用超聲波探查金屬內(nèi)部質(zhì)量缺陷問題。20世紀(jì)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(shù)逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域最常用的探傷檢測技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代成像技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在超聲波檢測中得到廣泛應(yīng)用，超聲波檢測技術(shù)逐漸向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在，工業(yè)生產(chǎn)過程中超聲波無損檢測儀器可以對產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，識別并剔除生產(chǎn)過程中有缺陷的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 超聲波無損檢測技術(shù)的工作原理與優(yōu)點(diǎn)

1.1? ? 超聲波無損檢測技術(shù)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(nèi)部是否存在質(zhì)量缺陷或性能下降，檢測儀器可以實(shí)時(shí)反映缺陷的大小、位置、性質(zhì)以及數(shù)量等信息，從而判斷被檢測物體的性能狀態(tài)。超聲波指頻率大于20 kHz并連續(xù)在介質(zhì)傳播的機(jī)械波。超聲波無損檢測技術(shù)是通過超聲波與檢測物相互作用，超聲波儀器發(fā)出聲波，聲波具有良好的導(dǎo)向性，沿著介質(zhì)直線傳播，超聲波介質(zhì)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(zhì)特征發(fā)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(jìn)行處理，從而對檢測物體的宏觀缺陷、幾何特性、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能變化進(jìn)行綜合評價(jià)。

1.2? ? 超聲波無損檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與其他無損檢測技術(shù)相比，超聲波無損檢測技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢測范圍廣，可以用于金屬、非金屬等復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測。（2）穿透力強(qiáng)。超聲波檢測技術(shù)可以穿透到物體內(nèi)部進(jìn)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(zhǔn)定位檢測物體缺陷位置，并對面積型缺陷的物件質(zhì)量缺陷檢出率高。（4）靈敏度高。超聲波無損檢測技術(shù)可以檢測尺寸很小的物體缺陷，檢測成本低，對人體和環(huán)境不會產(chǎn)生有害物。

2 超聲波無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

由于超聲波無損檢測技術(shù)靈敏度高、操作簡單、檢測效率高、檢測范圍廣等，被廣泛應(yīng)用于建筑工程、電氣工程以及泄漏檢測等領(lǐng)域，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的預(yù)防性檢修。

2.1? ? 超聲波無損檢測技術(shù)在建筑工程樁基檢測中的應(yīng)用

樁基是建筑工程的基礎(chǔ)，承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)上層負(fù)荷。樁基工程屬于隱蔽性工程，一定程度上增加了施工質(zhì)量檢測的難度。隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，樁基越來越復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響到樁基質(zhì)量。因此，需要加強(qiáng)樁基工程質(zhì)量檢測，檢測內(nèi)容包括樁基成孔質(zhì)量、樁基承載能力以及樁基完整性。將超聲波無損檢測技術(shù)應(yīng)用于樁基檢測過程中，利用超聲波在相同技術(shù)條件下混凝土傳播的時(shí)間、接收聲波的振幅和頻率等判斷樁基內(nèi)部的質(zhì)量缺陷。超聲波在樁基傳播的速度與混凝土的密實(shí)度有關(guān)，如果超聲波傳播速度快，則表示混凝土比較密實(shí);反之，則表示混凝土不密實(shí)。當(dāng)樁基混凝土結(jié)構(gòu)存在縫隙等問題，則會破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，超聲波介質(zhì)沿著樁基傳播過程中，會自動繞開孔洞或裂縫進(jìn)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(shí)間過長或者超聲波速度下降。因此，利用超聲波介質(zhì)傳播過程中混凝土結(jié)構(gòu)聲學(xué)參數(shù)變化，確定樁基質(zhì)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(shù)采用超聲波無損檢測技術(shù)，由于大橋主垮長度為900 m，塔頂?shù)綅{谷谷底的高差達(dá)到了650 m，是全世界首座跨度達(dá)到900 m以上的特大懸索橋。常規(guī)檢測技術(shù)無法對樁基進(jìn)行檢測，因此采用超聲波無損檢測技術(shù)，檢測人員只需要將超聲波探測儀器設(shè)備連接在橋梁樁基基礎(chǔ)上，根據(jù)橋梁樁基間距確定換能器和采集參數(shù)，打開超聲波檢測儀器，儀器自動采集樁基相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并傳輸?shù)诫娔X設(shè)備，根據(jù)聲波傳輸?shù)膮?shù)和圖形，可以判斷出樁基存在的的質(zhì)量缺陷，并對可疑樁基進(jìn)行再次檢測，確定樁基情況，并采取有效的方式進(jìn)行處理。

2.2? ? 超聲波檢測技術(shù)在電氣設(shè)備性能檢測中的應(yīng)用

由于大多數(shù)電氣設(shè)備在室外運(yùn)行，受到風(fēng)、雨、雷電等自然因素的破壞和人為操作不當(dāng)?shù)仍斐呻姎庠O(shè)備損壞，可能出現(xiàn)絕緣體破裂、局部放電、短路等問題，影響到供電安全性和穩(wěn)定性。因此需要定期對電氣設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備存在的問題，并及時(shí)進(jìn)行檢修，確保電氣設(shè)備運(yùn)行的安全性。以電氣設(shè)備放電故障為例，電氣設(shè)備常見的局部放電故障有電暈、電弧和電痕，發(fā)生電暈和電痕故障時(shí)，初期電氣設(shè)備不會產(chǎn)生大量的熱量，因此紅外熱成像技術(shù)無法檢測到故障，但是發(fā)生電暈和電痕會產(chǎn)生超聲波信號，利用超聲無損檢測技術(shù)對放電設(shè)備進(jìn)行檢測，通過遠(yuǎn)距離不接觸檢測，超聲波作用在檢測儀器設(shè)備上，聲波將反射聲波發(fā)送到接收器上，接收器可以顯示檢測電氣設(shè)備可能出現(xiàn)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(chǎn)生的壓力，不受電氣干擾，能夠用于在線監(jiān)測。但是由于聲波從固體傳向氣體時(shí)，其聲波會受到影響，導(dǎo)致聲波變?nèi)酰瑫绊憴z測效果。

2.3? ? 超聲波無損檢測技術(shù)在鐵路檢修中的應(yīng)用

鐵路是我國交通基礎(chǔ)設(shè)施，截至2018年底，我國鐵路運(yùn)行里程達(dá)13萬km。鋼軌作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，由于運(yùn)行距離遠(yuǎn)、客載負(fù)荷大，易出現(xiàn)側(cè)磨、剝離掉塊、腐蝕、垂直裂紋、周邊裂紋等問題，影響到鐵路運(yùn)行的安全性。因此，鐵路鋼軌需要定期檢測，但是傳統(tǒng)的檢測技術(shù)無法對鐵路鋼軌內(nèi)部進(jìn)行檢測，無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在的質(zhì)量缺陷，將超聲波無損檢測技術(shù)應(yīng)用于鋼軌檢測過程中，可以發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部缺陷。將超聲波檢測儀器探頭放在被檢測鋼軌的某一個(gè)檢測面或探傷面，探頭向被檢測鋼軌發(fā)射超聲波信號，當(dāng)超聲波通過檢測面進(jìn)入到鋼軌內(nèi)部，如果鋼軌內(nèi)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(fā)送到電腦端，電腦端將接收的缺陷信號和原有底波信號進(jìn)行對比，根據(jù)超聲波聲程和探測過程的聲程，可以將缺陷信號和底波進(jìn)行分開，并通過超聲波的試塊對其進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部缺陷的定位和定量，快速找到鋼軌內(nèi)部缺陷位置和大小，及時(shí)對鋼軌進(jìn)行預(yù)防性檢修，確保鐵路運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

超聲波檢測作為一種常見的無損檢測技術(shù)，由于適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、檢測范圍廣等被廣泛應(yīng)用于建筑工程、電氣工程、鐵路運(yùn)輸工程等各個(gè)領(lǐng)域，是近年來無損檢測技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等在超聲波檢測中的廣泛應(yīng)用，超聲波無損檢測技術(shù)將逐漸向定量、圖像化、智能化方向發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王詠梅.無損檢測技術(shù)在道路施工中的應(yīng)用[J].交通世界（上旬刊），2019（10）：26-27.

[2] 王力.超聲無損檢測技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（15）：135.

[3] 任志宏.超聲無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].技術(shù)與市場，2016，23（9）：255-256.

[5] 劉莎，馮上朝.基于無損檢測的道路橋梁工程測量技術(shù)研究[J].自動化與儀器儀表，2019（8）：133.

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。