大型結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析*

李　佳　李　軍

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院

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大型結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析*

李佳李軍

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院

摘要：針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件使用過(guò)程中的損傷與事故等問(wèn)題，介紹了大型結(jié)構(gòu)件非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)，以超聲衍射時(shí)差法、超聲相控陣檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、金屬磁記憶檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)方法為例，闡述了其基本原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大型結(jié)構(gòu)件； 超聲衍射時(shí)差法； 超聲相控陣檢測(cè)； 電磁超聲檢測(cè)； 金屬磁記憶檢測(cè)

1引言

重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2013yykfB0184)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用光、電、磁、聲學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)科知識(shí)的一項(xiàng)綜合性的檢測(cè)技術(shù)，在復(fù)雜機(jī)械設(shè)備、特種機(jī)械設(shè)備特別是大型結(jié)構(gòu)件中有著廣泛的應(yīng)用。

在大型結(jié)構(gòu)件中，應(yīng)用最多的是金屬材料。由于金屬材料在不同應(yīng)力的作用下可能會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞，從而產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，尤其在大型結(jié)構(gòu)件中的焊接部位更易斷裂[1]。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，可以判斷其可能出現(xiàn)的問(wèn)題，有效避免事故的發(fā)生。常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件焊縫快速、全面檢測(cè)，如磁粉檢測(cè)(MT)只能用于表面及近表面檢測(cè)，要求被檢測(cè)工件具有一定的表面粗糙度，且只能定量分析，難以對(duì)缺陷的性質(zhì)和埋藏深度進(jìn)行正確的判斷。滲透檢測(cè)(PT)只能用于表面及近表面檢測(cè)，不能檢測(cè)質(zhì)地疏松材料，且只能檢測(cè)開(kāi)口性缺陷(如表面裂紋)。渦流檢測(cè)(ET)只適于導(dǎo)體材料表面及近表面的缺陷的檢測(cè)，不適用于輪廓比較復(fù)雜的零件，且其結(jié)果也容易受到試件自身等因子的干擾[2]。

鑒于大型結(jié)構(gòu)件類設(shè)備的特殊性，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件的焊縫裂紋、應(yīng)力集中等缺陷采用非常規(guī)性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與方法，是解決大型結(jié)構(gòu)件實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是基于常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)與其他領(lǐng)域(如醫(yī)學(xué)中CT成像可用于復(fù)合材料)融合發(fā)展而來(lái)，主要包括超聲衍射時(shí)差法(TOFD)、超聲相控陣檢測(cè)方法、電磁超聲檢測(cè)方法、金屬磁記憶檢測(cè)方法。

2.1超聲衍射時(shí)差法(TOFD)

TOFD技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。TOFD檢測(cè)不是以缺陷回波幅度作為定量判斷的依據(jù)，而是依靠衍射信號(hào)的傳播時(shí)間，其基本原理為惠更斯原理。TOFD檢測(cè)技術(shù)采用發(fā)射和接收2類探頭來(lái)產(chǎn)生非聚焦的縱波。檢測(cè)時(shí)采用一對(duì)或多對(duì)寬聲束、寬頻帶、縱波的斜探頭相對(duì)于焊縫對(duì)稱布置，并設(shè)置好探頭的頻率、選好晶片大小、調(diào)好探頭的間距等。當(dāng)聲束在焊縫中傳播遇到缺陷時(shí)，缺陷觸發(fā)反射波，缺陷端角觸發(fā)衍射波，此時(shí)另一邊探頭同時(shí)接收反射波和衍射波并通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)量衍射波傳播時(shí)間以及利用三角方程來(lái)定出缺陷的尺寸、位置，缺陷的檢出與判別不受聲束發(fā)射角度、檢測(cè)方向、缺陷表面的粗糙度等因素的影響。該檢測(cè)克服了普通超聲波檢測(cè)結(jié)果不直觀和不能精確測(cè)量、射線檢測(cè)工件表面垂直的面狀缺陷和裂紋不能被檢測(cè)的弊端，在缺陷檢出率、缺陷深度、長(zhǎng)度測(cè)量的準(zhǔn)確性上優(yōu)勢(shì)突出[3]。當(dāng)其與脈沖回波相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)焊縫100%的全覆蓋。此項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、船舶管道焊縫等。

在TOFD技術(shù)應(yīng)用方面，洪作友等應(yīng)用TOFD技術(shù)對(duì)電站蝸殼焊縫檢測(cè)做了驗(yàn)證性試驗(yàn)，在與常規(guī)超聲、射線檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)中，TOFD檢測(cè)技術(shù)能很好檢測(cè)出蝸殼焊縫缺陷等問(wèn)題，以及缺陷的大小和較詳細(xì)的情況，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于電站機(jī)組蝸殼焊縫的檢測(cè)中，且檢測(cè)的平面缺陷和缺陷檢出率準(zhǔn)確性較高[3]。李友等人針對(duì)船舶大合攏焊縫交叉部位的檢測(cè)采用TOFD檢測(cè)技術(shù)，在檢測(cè)工藝上訂制了專用的TOFD檢測(cè)工藝，給出了交叉部位缺陷長(zhǎng)度、深度的計(jì)算表達(dá)式，并完成了TOFD與射線檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比性分析，分析結(jié)果表明，TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)船舶大合攏焊縫的無(wú)損檢測(cè)具有很好的優(yōu)越性[4]。

但是，由于直通波(LW)、底面反射波(BW)的存在，當(dāng)只采用TOFD檢測(cè)近表面時(shí)存在盲區(qū)，使該區(qū)域檢測(cè)的可靠性較差；對(duì)于體積狀缺陷由于聲波的衍射能量不同可能出現(xiàn)一定的漏檢；還存在檢測(cè)探頭與被測(cè)表面要有較好耦合條件的局限，且參數(shù)設(shè)定對(duì)于檢測(cè)效果也有一定影響。因此運(yùn)用TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷等進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可將其他檢測(cè)技術(shù)作為輔助，使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2.2超聲相控陣檢測(cè)方法

超聲相控陣是由超聲探頭晶片組合而成的，是將多個(gè)壓電晶片人為地按照一定分布規(guī)律排列，通過(guò)控制換能器陣列中超聲探頭發(fā)射或接收脈沖的不同時(shí)間，來(lái)改變其發(fā)射超聲波到達(dá)被測(cè)物體內(nèi)某點(diǎn)(或改變接收超聲波來(lái)自被測(cè)物體內(nèi)某點(diǎn))時(shí)的相位關(guān)系，從而促使聲束發(fā)射方向的變化和聚焦點(diǎn)的改變，最終實(shí)現(xiàn)超聲波成像的技術(shù)。

超聲相控陣探頭探傷主要是利用其聲束角度可控和動(dòng)態(tài)聚焦2大特點(diǎn)[5]。而其技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)相控陣系統(tǒng)各單元的相位延時(shí)的把握。理論分析表明，要實(shí)現(xiàn)相位偏轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)聚焦、聲束形成等相控效果，必須要控制好各單元的相位延遲，最終提高其檢測(cè)精度、分辨率和相控陣的穩(wěn)定。

超聲相控陣技術(shù)典型應(yīng)用有壓力容器檢測(cè)、腐蝕檢測(cè)、T型焊縫查掃、異種金屬粗晶材料焊縫檢測(cè)等，還可用于核工業(yè)與航空工業(yè)等領(lǐng)域。探頭排列類型主要是線性(常用)、二維矩形列和環(huán)形陣列。對(duì)于某些特殊的檢測(cè)對(duì)象或特殊的檢測(cè)環(huán)境，有必要采用不同類型的相控陣陣列探頭，比如適用于狹小空間的探傷檢測(cè)的小腳印探頭等[6]。實(shí)驗(yàn)表明，將超聲相控陣的脈沖反射法和衍射時(shí)差法(TOFD) 相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)缺陷的全方位分析(定位、定性、定量)，實(shí)現(xiàn)精確的無(wú)損探傷[7-8]。

此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)，具有很高的靈敏度與檢測(cè)速度，在分辨率、信噪比、缺陷的檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性[9]。它作為一種高速、精準(zhǔn)的探傷檢測(cè)手段，不單單用于焊縫檢測(cè)，在鑄件、鍛件等其他構(gòu)件常見(jiàn)缺陷的檢測(cè)上同樣適用。

2.3電磁超聲檢測(cè)方法

電磁超聲檢測(cè)與傳統(tǒng)的壓電超聲相比，雖同屬于超聲范疇，但激勵(lì)和接收方式不同。它直接利用電磁耦合(不需要額外的耦合條件)來(lái)激發(fā)和接收超聲波。金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中內(nèi)部將產(chǎn)生脈沖渦流，激發(fā)的電流在磁場(chǎng)中受到洛倫磁力的作用；同時(shí)，金屬介質(zhì)在應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波(可稱超聲波)，脈沖電流向外輻射一個(gè)脈沖磁場(chǎng)，并與外磁場(chǎng)交互作用產(chǎn)生磁致伸縮力，在此力的作用下產(chǎn)生不同的電磁超聲。

電磁超聲檢測(cè)裝置主要由高頻線圈、磁鐵、試件本身組成。電磁超聲檢測(cè)是非接觸性檢測(cè)技術(shù)，不需要耦合劑，可穿透過(guò)覆蓋層等，能夠產(chǎn)生表面波、SH/SV波、Lamb波。電信號(hào)的頻率可以影響聲束的輻射角，在保持其他條件一定的情況下，可以在同一種換能器的條件下實(shí)現(xiàn)波形模式的自由選取，這樣就可以針對(duì)性地選取最優(yōu)波形進(jìn)行檢測(cè)。

電磁超聲檢測(cè)對(duì)被測(cè)工件表面質(zhì)量要求不高，在列車車輪踏面、鋼軌狀態(tài)、橋梁伸縮縫及鋼板表面缺陷等檢測(cè)中應(yīng)用廣泛[9]。同時(shí)由于該技術(shù)適應(yīng)高溫探傷而被廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備的檢測(cè)中，比如煉油廠管道、電站鍋爐爐管等高溫壓力容器。電磁超聲作為一種非常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，有換能效率低、信噪比大、分辨率低等缺陷，需要通過(guò)外電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[11]，故常將其與傳統(tǒng)的方法結(jié)合應(yīng)用。

2.4金屬磁記憶檢測(cè)方法

鋼結(jié)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)，在工作載荷與外磁場(chǎng)同時(shí)作用，產(chǎn)生疲勞而形成微小裂紋。在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生具有磁彈性效應(yīng)與磁致伸縮性質(zhì)的磁疇定向和不可逆的再次取向。在工作載荷移除后不但不會(huì)消失，還與其所受到的最大作用應(yīng)力成一定的相關(guān)性；之后由于其殘余磁性的存在將在表面形成漏磁場(chǎng)，從而在金屬表面產(chǎn)生的磁狀態(tài)存留著微觀缺陷或金屬應(yīng)力集中區(qū)域的位置，即為金屬磁記憶效應(yīng)[12]。

金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)利用了金屬磁記憶效應(yīng)，能夠?qū)ξ⒂^缺陷、早期失效和損傷等進(jìn)行診斷。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)焊接接頭而言，其磁化強(qiáng)度沿著焊接熱循環(huán)所造成的殘余應(yīng)力的作用方向是不可逆變化，存在一定的殘余磁化強(qiáng)度[13]。對(duì)焊接工件表面固有漏磁場(chǎng)HP分布進(jìn)行測(cè)量分析時(shí)，移動(dòng)檢測(cè)傳感器，當(dāng)儀表記錄法向分量HP(y)改變符號(hào)且為零值時(shí)，可確定金屬結(jié)構(gòu)和焊接工件的應(yīng)力集中區(qū)、缺陷和不均勻性等問(wèn)題[14]。該技術(shù)在壓力管道裂紋及焊接缺陷有所應(yīng)用，在電梯、起重機(jī)械、大型游樂(lè)設(shè)施方面應(yīng)用較少。

此檢測(cè)受到鐵磁構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力與表面漏磁場(chǎng)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的影響，并且受材質(zhì)、殘余應(yīng)力大小、方向和外激勵(lì)等因素的影響，其檢測(cè)存在一定的容錯(cuò)率。該檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)Υ笮徒Y(jié)構(gòu)件、承壓部件等進(jìn)行早期失效診斷分析，并在其他檢測(cè)技術(shù)的輔助下，使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3結(jié)語(yǔ)

超聲衍射時(shí)差法、超聲相控陣檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、金屬磁記憶檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。這些非常規(guī)檢測(cè)技術(shù)在結(jié)合傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的情況下，可以提高檢出率和檢測(cè)準(zhǔn)確性，減少不確定性因子，使動(dòng)態(tài)全局檢測(cè)更加精準(zhǔn)，并能在大型結(jié)構(gòu)件無(wú)損探傷檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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李佳: 400074，重慶市南岸區(qū)七公里學(xué)府大道66號(hào)

Discussion on Nondestructive Testing Technology of Large-scale Structure

School of Mechanical and Automotive Engineering Chong Qing Jiao Tong UniversityLi JiaLi Jun

Abstract：To solve the problem of damages and accidents during the usage of large-scale structure, the unconventional nondestructive testing technology is introduced, and the basic principles, features and applications are discussed, taking TOFD testing, ultrasonic phased array, electromagnetic ultrasonic, MMM testing as instances.

Key words:large-scale structure; TOFD testing; ultrasonic phased array; electromagnetic ultrasonic; MMM testing

*基金項(xiàng)目：

收稿日期：2016-02-23

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.005