談?wù)労缚p缺陷檢驗(yàn)中的無損檢測技術(shù)

馮梅 倪志達(dá)

摘要：焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性決定了焊縫無損檢測方法上的局限性，迄今為止，每種無損檢測方法都存在各自的不足和優(yōu)點(diǎn)。本文對焊縫缺陷檢驗(yàn)中的無損檢測技術(shù)進(jìn)行具體分析。

關(guān)鍵詞：焊縫檢測；CR 技術(shù)；DR 技術(shù)；TOFD 技術(shù)；超聲導(dǎo)波技術(shù)

焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量狀況對于特種設(shè)備的安全服役至關(guān)重要，由于忽視焊接產(chǎn)品質(zhì)量造成的事故屢見不鮮，而焊接結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)檢測領(lǐng)域中有著舉足輕重的意義?，F(xiàn)階段主要檢測方法是膠片照相法，其高消耗、低效率的特點(diǎn)迫使人們對焊縫無損檢測方法提出新的思路。

1 焊縫無損檢測新技術(shù)

1.1 CR 和 DR 技術(shù)

計算機(jī)輔助射線照相技術(shù)（CR）和數(shù)字射線照相技術(shù)（DR）是近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的新型焊縫無損檢測技術(shù)。CR 技術(shù)是將影像板作為圖像載體，再經(jīng)過讀片機(jī)閱讀圖像信息，并通過數(shù)據(jù)連接線與電腦相連，實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化處理與存儲。九十年代，柏林 BAM 公司利用圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對焊縫底片 X 射線中的裂紋缺陷的識別。隨后，日本岡山科技大學(xué)利用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)了焊縫X射線底片圖像的計算機(jī)自動識別。DR 技術(shù)完全不同于 CR 技術(shù)，拍出來的圖像直接在計算機(jī)上顯示。國內(nèi)的蔡建剛等人運(yùn)用射線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)檢測壓力容器筒體的縱、環(huán)焊縫，并利用計算機(jī)控制筒體的位移、實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時處理，大大降低了壓力容器焊縫檢測的檢測成本。

1.2 超聲 TOFD 技術(shù)

超聲 TOFD（time of flight diffraction）技術(shù)起源于上世紀(jì) 70 年代，到上世紀(jì) 90 年代，國外工業(yè)無損檢測行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。歐美日均提出了各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于不同壁厚承壓特種設(shè)備焊接接頭的制造和在役檢測。近年來，我國無損檢測行業(yè)也對此技術(shù)大力發(fā)展。超聲 TOFD 的原理是超聲波衍射現(xiàn)象，檢測時使用一對或多對寬聲束探頭，每對探頭相對焊縫對稱分布，聲束覆蓋檢測區(qū)域，遇到缺陷時產(chǎn)生反射波和衍射波。探頭同時接收反射波和衍射波，通過測量衍射波傳播時間和利用三角方程，來確定出缺陷的尺寸和位置。TOFD 檢測焊縫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：實(shí)時成像，快速分析；檢測效率高，缺陷高度測量精確；安全，方便。但對橫向缺陷不敏感，且信號較弱。TOFD 技術(shù)與超聲反射法相比，一次檢測范圍大，對帶有尖端的缺陷（如裂紋）定位定量很精準(zhǔn)，但對圓形缺陷（如氣孔、夾渣）就沒有反射波法來的準(zhǔn)確，缺陷性質(zhì)的精確判別需要經(jīng)驗(yàn)豐富的分析人員。天津藍(lán)海工程檢測服務(wù)有限公司的彭偉等人在 2011 年經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后證明，在厚板平板焊縫檢測中，TOFD 技術(shù)在缺陷測長和定高精度方面對于 RT 檢測有明顯優(yōu)勢，但在表面缺陷檢測有掃描盲區(qū)，可結(jié)合常規(guī) UT 法檢測。利用超聲 TOFD技術(shù)和脈沖回波法結(jié)合，可以彌補(bǔ)超聲 TOFD 法在焊縫近表面和底面的檢測盲區(qū)。

1.3 超聲導(dǎo)波技術(shù)

超聲導(dǎo)波技術(shù)是近年發(fā)展的無損檢測新方法，一次掃描即可測量整個范圍內(nèi)的內(nèi)外所有缺陷，相對于超聲波檢測，其傳播遠(yuǎn)，速度快的優(yōu)勢是不可比擬的。超聲導(dǎo)波檢測在管道、鐵軌等一維結(jié)構(gòu)中的研究相對成熟，近年來國內(nèi)外學(xué)者也開始關(guān)注導(dǎo)波在焊縫缺陷無損檢測中的研究。英國帝國理工大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)和國內(nèi)的北京工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等單位的學(xué)者對此有比較深入的研究。目前焊縫導(dǎo)波檢測仍主要靠板波的激勵接收來實(shí)現(xiàn)，通常有電磁聲技術(shù)、激光超聲技術(shù)、相控陣聚焦技術(shù)等。

1.3.1 電磁超聲（EMAT）技術(shù)

導(dǎo)體在交變磁場和電場作用下產(chǎn)生渦流，如果這交變渦流又處于另一個恒定磁場中，則構(gòu)成渦流回路的質(zhì)點(diǎn)將受到安培力的作用，這個效果是可逆的，這就形成電磁超聲技術(shù)的原理。選擇渦流和磁場的方向就可以確定導(dǎo)波的波形，目前電磁超聲換能器能在導(dǎo)體中激勵和接收兆赫級的橫波、縱波和蘭姆波。EMAT 技術(shù)無需直接接觸，不需要耦合劑，因此在高溫容器檢測中具有優(yōu)勢。但其由于非接觸所造成的靈敏度對距離敏感，通常工作距離只有幾毫米，又使得 EMAT 技術(shù)的應(yīng)用受到限制。荷蘭殼牌公司率先發(fā)明了利用 EMAT 傳感器組件檢查焊縫的方法，利用焊縫反射或透射的剪切波實(shí)現(xiàn)焊縫缺陷檢查。美國 innerspec 公司的EMAT 導(dǎo)波檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫的在線檢測，滿足 API 檢測標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 激光超聲技術(shù)

利用激光器每隔一定時間向材料表面持續(xù)發(fā)射脈沖時材料受到的沖擊性熱激勵，使材料表面產(chǎn)生熱膨脹，表面振動即產(chǎn)生了聲輻射。由于激光的能量集中，因而聲源的直徑非常小，可以近似為點(diǎn)狀聲源，在時間和空間上都有很高的分辨率。激光超聲的最大的優(yōu)勢仍在于他的非接觸性，易于在高溫高壓等惡劣環(huán)境下檢測。激光超聲接收技術(shù)主要有換能器法和光學(xué)法兩種，換能器法靈敏度高，但不適合檢測寬頻的激光超聲信號，而光學(xué)法可以很好的解決上述問題，因此光學(xué)法接收信號成為激光超聲技術(shù)的一大趨勢。

1.3.3 相控陣聚焦技術(shù)

常規(guī)的超聲波檢測技術(shù)由一個壓電晶片產(chǎn)生一個固定的聲束，其波束的傳遞是預(yù)先設(shè)計選定的，且不能變更。超聲相控陣換能器由多個獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個晶片單元，來調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。相控陣技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了二十多年，最初僅用于醫(yī)療領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，特別是核工業(yè)及航空等領(lǐng)域。相控陣設(shè)備主要有相控陣單元和數(shù)據(jù)獲得單元兩部分組成，相控陣聚焦技術(shù)特點(diǎn)在于：簡化手工操作、檢測效率高、適應(yīng)性強(qiáng)。Hu，Dong 等人實(shí)現(xiàn)了利用相控陣聚焦技術(shù)檢測尿素合成器的周向焊縫缺陷。賓夕法尼亞大學(xué) Joseph L. Rose 等人利用基于相控陣聚焦技術(shù)的超聲導(dǎo)波檢測方法檢測管道焊縫的缺陷，增加了管道的檢測距離、并且降低了缺陷誤報率。

1.3.4 混合導(dǎo)波技術(shù)

由于幾種導(dǎo)波技術(shù)都有其各自的優(yōu)勢和劣勢，結(jié)合各種技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，就形成了混合導(dǎo)波技術(shù)。M. Arone等人設(shè)計了在線檢測的焊縫檢測系統(tǒng)，由脈沖激光器和接觸角壓電式傳感器激發(fā)導(dǎo)波，空氣耦合 EMAT 傳感器接收導(dǎo)波；帝國理工大學(xué)的 Zheng fan 等人利用橫波直探頭激勵導(dǎo)波，激光干涉儀接收導(dǎo)波；GE 公司的 weldstar 環(huán)焊縫自動混合超聲檢測系統(tǒng)，利用常規(guī)超聲和相控陣超聲混合技術(shù)，均實(shí)現(xiàn)了良好的效果。

2 小結(jié)

綜上所述，本文對幾種焊縫無損檢測新技術(shù)的理論基礎(chǔ)、主要特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了探討、分析。隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和無損檢測學(xué)科的發(fā)展，焊縫檢測技術(shù)會日益成熟，并向著自動化、智能化、圖像化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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