淺談渦流探傷技術(shù)在交通安全領(lǐng)域的應(yīng)用

【摘要】對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧，并分析了渦流探傷技術(shù)在交通設(shè)施檢測(cè)工作中的優(yōu)勢(shì)與可行性，提出了應(yīng)用于交通設(shè)施無(wú)損檢測(cè)設(shè)備研制的方案。

【關(guān)鍵詞】道路養(yǎng)護(hù)；交通安全；無(wú)損檢測(cè)；渦流探傷

Abstract：Review the application of nondestructive testing technology in traffic engineering.Analyze the feasibility and advantage of eddy current testing technique.Propose some primary design schemes of eddy current testing equipment.

Key words：road maintenance；traffic safety；nondestructive testing；eddy current testing

金屬材料被廣泛應(yīng)用到公路、鐵路及停車(chē)場(chǎng)等交通基礎(chǔ)設(shè)施中，是承受荷載的主要材料。金屬材料在使用階段受到荷載應(yīng)力及環(huán)境因素的影響，其表面易產(chǎn)生微裂縫。這些裂縫隨著時(shí)間的推移會(huì)持續(xù)發(fā)展，構(gòu)件的強(qiáng)度及耐久性就會(huì)相應(yīng)降低，從而影響交通安全。因此，必須對(duì)各種交通基礎(chǔ)設(shè)施中的金屬部件進(jìn)行定期的檢測(cè)，必要時(shí)要進(jìn)行更換[2]。

對(duì)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的檢測(cè)，必須保證其原有的工作性能不受影響。上個(gè)世紀(jì)中葉，歐美一些國(guó)家相繼研制出了應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備（如大型超聲軌道探傷車(chē)）。這類(lèi)設(shè)備雖然設(shè)計(jì)原理先進(jìn)，檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，但大多具有體積大、造價(jià)昂貴的缺點(diǎn)，無(wú)法大規(guī)模地配備使用。

我國(guó)交通設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)工作起步較晚，在一些重點(diǎn)工程的檢測(cè)工作中多用大型進(jìn)口設(shè)備。采用大型檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)工作通常要對(duì)交通進(jìn)行封閉。我國(guó)公路、鐵路總里程長(zhǎng)，交通運(yùn)輸量大，頻繁地封閉交通進(jìn)行檢測(cè)必然對(duì)正常的交通帶來(lái)負(fù)面影響。因此，有必要自主發(fā)展高效率、微型化、智能一體化的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。

1.渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)及可行性

目前世界上常用的無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)五種。常用的無(wú)損檢測(cè)方法的基本原理及適用性如下：

（1）超聲檢測(cè)

超聲波在均勻介質(zhì)中沿直線方向傳播。工件中若存在缺陷，則缺陷內(nèi)部的空氣和材料本身的聲阻抗便會(huì)有差異。因而超聲波在傳播到這個(gè)缺陷界面上時(shí)，就會(huì)有一部分超聲波發(fā)生反射。這部分反射的超聲波經(jīng)儀器采集分析，便可得到其內(nèi)部缺陷大小及位置等信息。這種檢測(cè)方法對(duì)于工件內(nèi)部的平面缺陷檢測(cè)非常靈敏，且安全無(wú)害，檢測(cè)設(shè)備也易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但其對(duì)工件的表面光潔度有非常高的要求，且需要聲耦合劑來(lái)填充探頭與工件表面之間的空隙。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者有焊縫的工件，超聲波會(huì)在某些非缺陷界面上發(fā)生亂反射從而影響檢測(cè)結(jié)果。另外，這種檢測(cè)方法也要求檢測(cè)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判斷存在較大的主觀性。

（2）磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)是將磁粉均勻吸附在工件表面，當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)在不連續(xù)的地方產(chǎn)生畸變。此時(shí)在缺陷部位出現(xiàn)的磁痕可用肉眼觀察到。這種方法操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)靈敏度高。缺點(diǎn)是只能檢測(cè)工件表面的缺陷且對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。另外檢測(cè)的范圍小、效率低，且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（3）射線檢測(cè)

當(dāng)X射線穿透工件時(shí)，射線本身的能量會(huì)發(fā)生衰減。如若工件內(nèi)部存在缺陷，在這一點(diǎn)上對(duì)X射線的衰減就會(huì)減弱。這時(shí)采用一定的技術(shù)手段來(lái)采集各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的X射線的強(qiáng)度就可以直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷的位置和大小。這種方法對(duì)缺陷的形態(tài)、位置都可以有準(zhǔn)確、直觀的反映。但射線對(duì)操作人員的生理危害較大，且檢測(cè)成本相對(duì)較高。

（4）滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)是將熒光染料涂抹在工件表面，當(dāng)工件表面存在微裂縫時(shí)，染液就會(huì)由于毛細(xì)作用滲透進(jìn)裂縫內(nèi)部。然后去除表面熒光染液再?lài)娨燥@影劑，就可以觀察到表面裂縫的位置。這種檢測(cè)方法對(duì)工件的材料種類(lèi)、表面形狀都沒(méi)有嚴(yán)格的限制。對(duì)極其細(xì)微的裂縫也就較強(qiáng)的靈敏性。但這種方法檢測(cè)結(jié)果依舊靠肉眼觀察，主觀性強(qiáng)，檢測(cè)的范圍較小、效率低且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（5）渦流檢測(cè)

當(dāng)線圈通有交變電流時(shí)，線圈內(nèi)部及周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)這種線圈靠近導(dǎo)電材料時(shí)，會(huì)在導(dǎo)電材料近表面處產(chǎn)生漩渦狀的交變電流，稱(chēng)為渦流。渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以反作用于通電線圈，當(dāng)工件存在缺陷時(shí)，渦流的大小會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致線圈中交流電的變化率發(fā)生變化。這種變化可以通過(guò)技術(shù)手段采集分析，從而得到缺陷的位置等信息。這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以不接觸工件表面，檢測(cè)效率高。由于通過(guò)探頭采集的信息是電流信號(hào)，易于儲(chǔ)存及數(shù)據(jù)處理，從而易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。這種檢測(cè)方法的缺點(diǎn)是只能檢測(cè)導(dǎo)電材料表面極其近表面的缺陷，無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部缺陷，而且不能用于檢測(cè)表面形狀復(fù)雜的工件。

由于我國(guó)的交通設(shè)施數(shù)量多，檢測(cè)任務(wù)繁重，為了適應(yīng)常規(guī)檢測(cè)的需要，檢測(cè)技術(shù)的選用必須符合高效、經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便的原則。經(jīng)過(guò)以上分析可以看出，磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)的檢測(cè)范圍小、效率低且不易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化。射線檢測(cè)雖然檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，但高能射線對(duì)操作人員的生理有不良影響，且成本較高。超聲檢測(cè)需要大規(guī)模地使用耦合劑，無(wú)法有效控制成本。且交通基礎(chǔ)設(shè)施（如高速公路防撞護(hù)欄）長(zhǎng)期暴露在野外，其表面受到風(fēng)、水、溫度等自然因素影響，表面光潔度無(wú)法滿足檢測(cè)的需要，且檢測(cè)結(jié)果不易儲(chǔ)存及重現(xiàn)。因而也不適合作為交通基礎(chǔ)設(shè)施常規(guī)檢測(cè)的首選。渦流檢測(cè)技術(shù)雖然只能應(yīng)用于磁性金屬材料表面極其近表面缺陷的檢測(cè)，但由于自然環(huán)境作用的影響產(chǎn)生的裂縫也多在表面發(fā)生，渦流法完全可以滿足定性檢測(cè)任務(wù)。此外，渦流法易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化和一體化，檢測(cè)效率高且成本較低，因此較之其他無(wú)方法有很明顯的優(yōu)勢(shì)，可以滿足大規(guī)模的常規(guī)檢測(cè)的需要。

2.設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)想及應(yīng)用領(lǐng)域

渦流探傷設(shè)備原理簡(jiǎn)單，探頭與大規(guī)模集成電路結(jié)合易于實(shí)現(xiàn)一體化智能設(shè)計(jì)，并使得設(shè)備小型化。針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，可以在基本模塊上增加定制模塊和特殊的外觀設(shè)計(jì)來(lái)滿足檢測(cè)的需要。以下簡(jiǎn)單介紹幾種針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象的設(shè)備的設(shè)計(jì)方案：

（1）鋼軌檢測(cè)設(shè)備

主機(jī)下部設(shè)置有貼合鋼軌的凹槽，凹槽的側(cè)壁和頂部安裝滾輪。機(jī)體頂部鏈接有可調(diào)節(jié)角度的長(zhǎng)手柄，監(jiān)視器固定在手柄中段。檢測(cè)人員手持手柄沿鐵軌方向前進(jìn)，當(dāng)儀器檢測(cè)到裂縫時(shí)，監(jiān)視器會(huì)報(bào)警并返回檢測(cè)信息[2]。

（2）高速公路防撞護(hù)欄檢測(cè)設(shè)備

主機(jī)外觀采用U形設(shè)計(jì)，在U形凹槽的內(nèi)部安裝滾輪，貼合波形防撞護(hù)欄。這類(lèi)設(shè)備宜添加自走模塊，將儀器安裝在防撞護(hù)欄上后，儀器即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走并自動(dòng)記錄裂縫的位置、大小等信息。宜添加無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信息的無(wú)線傳輸與儲(chǔ)存。

（3）機(jī)械式立體停車(chē)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備

主機(jī)上安裝背帶，便于操作人員攜帶。檢測(cè)探頭安裝在連桿手柄上。連桿通過(guò)柔性線纜與主機(jī)連接。監(jiān)視器設(shè)置在主機(jī)外側(cè)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是便于操作人員攜帶，探測(cè)連桿不受主機(jī)機(jī)位限制。檢測(cè)人員只需按規(guī)程掃描金屬構(gòu)件表面，主機(jī)就會(huì)自動(dòng)記錄病害信息。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，智能一體化無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的研制成為了可能。我國(guó)正處于全面建設(shè)向全面養(yǎng)護(hù)的轉(zhuǎn)型期，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備不但可以獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，更是我國(guó)交通行業(yè)綜合實(shí)力的體現(xiàn)。渦流檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵在于探頭設(shè)計(jì)及檢測(cè)電流的處理。渦流檢測(cè)的結(jié)果受到材料自身物理特性的影響較大，但如果能采用特定的電路進(jìn)行處理，篩選出主要變量而抑制其他變量，即可提高檢測(cè)的精準(zhǔn)度。此類(lèi)設(shè)備一體化及易于操作的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的配備，總體上降低了檢測(cè)工作的投入。由于常規(guī)檢測(cè)多半是以定性為主，渦流檢測(cè)法的精度完全可以滿足需要，具有很強(qiáng)的可操作性及市場(chǎng)前景。道路交通設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的課題，設(shè)備的研發(fā)有賴(lài)于多行業(yè)的配合。限于水平，觀點(diǎn)如有不妥之處，還望批評(píng)指正。