幾種新的無損檢測方法及應用實例

農(nóng)金龍

(廣西特種設備監(jiān)督檢驗院，廣西 南寧 530219)

幾種新的無損檢測方法及應用實例

農(nóng)金龍

(廣西特種設備監(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、特點及其應用范圍等方面闡述其在各自領域上的優(yōu)勢和前景，對西部地區(qū)工程項目建設中涉及到無損檢測的單位和人員有較為實在的指導意義。

磁記憶；低頻漏磁；遠場渦流；微波；聲發(fā)射

鐵路、橋梁及其它特種設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，可對上述設備進行質(zhì)量評價、運行安全和壽命評估，預防事故發(fā)生，具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。目前，常用的、國家有明確的相關法規(guī)標準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。

無損檢測技術是以不損害被檢驗對象的使用性能為前提，應用多種物理原理和化學現(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。

常用的無損檢測方法由于檢測到的是已經(jīng)存在的缺陷，不能預判未出現(xiàn)的缺陷。解決不了設備突發(fā)性破壞情況；對被檢對象表面，需要進行去除護層、打磨等預處理，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，當工件受到拉伸、擠壓、扭曲和周期性變化負載等作用時及地球磁場的同時作用下，應力集中區(qū)域的磁導率變小，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力集中的位置，這就是所謂的“磁記憶”效應，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 應力對磁滯回線的影響

如圖3(a)所示，其中Hp(y)=0處為應力集中線，然后對試樣加上和應力集中線垂直的；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）能準確定位被檢測對象中應力和變形集中區(qū)。

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

（3）結(jié)果可靠，檢測信號明顯，準確性強。

（4）早期診斷和評價設備的安全性。

（5）無需停止要檢設備的運行。

（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，檢測設備的體積小。重量輕、成本低。

（8）快速定位應力集中點(線)。

（9）與被檢設備不用接觸，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，基本不受設備結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場環(huán)境影響，便于野外使用。

3.應用的范圍和實例

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力之間的關系；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

當前，金屬磁記憶檢測技術是一種新興的無損檢測技術，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力集中的統(tǒng)一標準，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力狀態(tài)較差的設備部件上檢測時，相對于常規(guī)檢測方法，信號響應過于靈敏，有時甚至會造成檢測難以進行的情況。

（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)變化會使磁導率大小改變，當缺陷的磁導率很小，磁阻很大時，磁路中間的磁通會產(chǎn)生畸變，磁感應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）對缺陷的可進行初步定量，還可以對缺陷的危害程度進行初步的評價。

（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30mm的壁厚范圍內(nèi)，可同時檢測內(nèi)外壁缺陷。

3.應用范圍和實例

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雜的試件。對于形狀復雜的工件，需要特制與其形狀匹配的檢測器件；（3）有關靈敏度、對危險性缺陷的檢出率等，尚需進行大量的試驗驗證。

前景：隨著磁檢測傳感技術、勵磁技術以及信號處理技術的進步，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，得到廣泛的應用。

（三）遠場渦流檢測

1.原理

如下圖，遠場渦流法是低頻渦流檢測技術，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，適宜進行自動化檢測。

（2）檢測的速度非?？?。

（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、防護容易，對人體造成傷害不大。

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

（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。

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

3.應用范圍和實例

（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。（3）在核反應堆壓力管、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

隨著遠場渦流理論的逐步完善和相應的信號調(diào)理技術、信號處理技術、探頭設計的不斷完善，能滿足各種實際需要的、高精度、高速度、智能化的遠場渦流檢測技術，會在國民經(jīng)濟和國防建設中發(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。

（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：微波技術使分米分辨本領的非接觸成像技術成為可能。（2）用于尋找和救護：微波的一個應用技術是尋找被地震、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)過分析進行合理疏導與統(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，各種高性能的復合材料、陶瓷材料等的廣泛應用，微波檢測技術得到很大的運用。在復合材料制品中，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，可用先進的微波檢測技術進行評定。

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用前景；但其靈敏度受使用頻率限制，由于集膚效應不能檢查金屬、碳纖維等導電材料內(nèi)部缺陷，分辨力較低。

（五）聲發(fā)射檢測技術

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?，之后運用電子設備，將電信號進行適當?shù)姆糯蠛吞幚?，使之明顯化，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)射檢測技術原理圖

2.特點

（1）聲發(fā)射檢測技術是一種動態(tài)無損檢測技術。

（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)射檢測技術具有實時、在線的特點，并有廣泛地應用前景。

（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)射檢測技術是一種整體檢測技術。適用工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預報。

（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)射技術應用最成功和普遍的領域之一。我國聲發(fā)射檢測技術當前應解決的問題和發(fā)展趨勢為：

（1）聲發(fā)射技術在工程應用中尋求理論依據(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）加快有關國家標準的制定和修訂步伐，建立統(tǒng)一標準體系。

（5）完善該項檢測檢驗人員培訓和資質(zhì)認證體系。

（6）拓寬聲發(fā)射檢測技術的應用領域，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和神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別，提高聲發(fā)射檢測在線檢測應用水平。

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

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

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

[4] 張俊哲.無損檢測技術及其應用[M].北京:科學出版社,1993.

[5] 耿榮生,沈功田,劉時風.聲發(fā)射信號處理和分析技術[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），廣西特種設備監(jiān)督檢驗院工程師，從事特種設備檢測研究。