無損檢測(cè)技術(shù)在冶金設(shè)備機(jī)械安檢中的應(yīng)用

丁　鋒，姜樹杰（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400）

無損檢測(cè)技術(shù)在冶金設(shè)備機(jī)械安檢中的應(yīng)用

丁鋒，姜樹杰
（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400）

分析了超聲波檢測(cè)、紅外熱像無損檢測(cè)、超聲紅外熱像檢測(cè)、激光全息檢測(cè)等幾種無損檢測(cè)技術(shù)在冶金機(jī)械設(shè)備安檢中的應(yīng)用情況。無損檢測(cè)技術(shù)能夠?yàn)榘矙z操作人員提供快速準(zhǔn)確的決策依據(jù)，是冶金生產(chǎn)消除故障隱患、保證安全生產(chǎn)的重要手段。

超聲檢測(cè)；紅外檢測(cè)；激光檢測(cè)；缺陷；探傷

1　引言

隨著現(xiàn)代冶金工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)冶金機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率、連續(xù)性生產(chǎn)的安全性和可靠性提出了越來越高的要求。無損檢測(cè)技術(shù)在不改變?cè)O(shè)備原有結(jié)構(gòu)、特性的前提下，能夠向安檢操作人員提供快速準(zhǔn)確的決策依據(jù)，已成為消除故障隱患，保證安全生產(chǎn)的重要手段。無損檢測(cè)是根據(jù)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕菟鸬膶?duì)熱、聲、光、磁等反應(yīng)的變化，對(duì)設(shè)備狀況做出判斷和評(píng)價(jià)。冶金機(jī)械設(shè)備安全檢測(cè)中常用的監(jiān)測(cè)手段包括有超聲波檢測(cè)、紅外熱成像、激光檢測(cè)、渦流檢測(cè)及全息照相等[1-2]。

2　超聲波檢測(cè)

超聲波的頻率高于20 kHz，超出人能接受到的20 Hz~20 kHz的頻率范圍（低于20 Hz的為次聲波）。超聲波分為橫波、縱波和表面波，在傳播過程中方向性好，穿透能力強(qiáng)，在傳播過程中若遇到不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)在兩種介質(zhì)的交界處產(chǎn)生反射。超聲波無損探傷利用超聲波的這一性質(zhì)來進(jìn)行檢測(cè)。一旦設(shè)備內(nèi)存在缺陷，即使十分細(xì)小的裂紋，也會(huì)造成超聲波不能繼續(xù)傳播的阻擋層，使通過這種裂紋的超聲波聲能大幅降低。常用的超聲波檢測(cè)有透射檢測(cè)法和脈沖反射法兩種。利用透射法檢測(cè)時(shí)，將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭分別放置在被檢測(cè)試件的兩側(cè)，這樣利用監(jiān)測(cè)接受探頭所接收到的超聲波聲能的強(qiáng)度即可獲得材料內(nèi)部缺陷的信息[3]。為保證探頭和試件之間具有良好的聲耦合，通常需要輔以耦合劑，用以排出探頭與工件間的空氣薄層，消除不同介質(zhì)界面間強(qiáng)烈雜亂反射波對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。脈沖反射法測(cè)試是將發(fā)射探頭放置于被檢測(cè)工件的表面并來回移動(dòng)，探頭發(fā)出的超聲波以聲速向工件內(nèi)部傳播，如果工件內(nèi)部沒有缺陷，超聲波只有傳到工件的底部時(shí)才會(huì)發(fā)生反射，那么顯示屏上只呈現(xiàn)始脈沖T和底部反射脈沖B。一旦工件中存有缺陷，聲波在向底部傳播中會(huì)有一部分聲波因缺陷的存在而產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播至工件的底部才發(fā)生反射。這樣在顯示屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還會(huì)呈現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖1所示。顯示屏上的水平時(shí)間基線的長(zhǎng)度與工件的厚度成正比，因此，通過缺陷脈沖在顯示屏上的位置和幅值可大致確定缺陷在工件中的位置和缺陷面積的大小，缺陷脈沖的幅度越高，說明缺陷面積越大。利用超聲波可對(duì)1 mm至幾米的金屬、非金屬、復(fù)合材料的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)于表面的穿透裂紋和表層下缺陷的檢出率高，且具有速度快，定位準(zhǔn)確，對(duì)人體和環(huán)境無害的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

圖1　超聲波反射法檢測(cè)示意圖

3　紅外熱像無損檢測(cè)

紅外熱成像技術(shù)通過非接觸檢測(cè)被測(cè)物體的表面溫度場(chǎng)，并以溫度分布熱圖像的形式在顯示屏上直接顯示，進(jìn)而推斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。它將人們的視覺范圍從可見光擴(kuò)展到紅外波段，再現(xiàn)人眼在可見光范圍內(nèi)無法觀察到的物體外型輪廓或表面熱分布，為準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和查找故障點(diǎn)提供幫助。紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不受電磁干擾，所以廣泛應(yīng)用于檢測(cè)電力設(shè)備和電力傳輸線路[6]。

在電力系統(tǒng)中，電氣設(shè)備的運(yùn)行異常大多伴有發(fā)熱現(xiàn)象，如冶金電纜因外在因素造成的機(jī)械損傷、絕緣老化、過流及過電壓造成的擊穿等；電機(jī)內(nèi)部鐵芯、繞組因絕緣層損壞而導(dǎo)致的短路、過載及散熱故障；電氣連接件接線端子的松動(dòng)脫落、氧化腐蝕等引起溫度上升，造成局部過熱或整體溫度異常。一般情況下，溫度異常處較其他正常溫度高出10~15℃。因此，利用紅外熱成像儀對(duì)設(shè)備巡檢，以設(shè)備的熱狀態(tài)分布為依據(jù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好與否進(jìn)行診斷，隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)隱患或迅速診斷出事地點(diǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失。圖2所示為變電器電纜連接處局部接線端子出現(xiàn)過熱情況的紅外熱像圖。紅外熱成像儀檢測(cè)故障具有不停產(chǎn)、不接觸、遠(yuǎn)距離、快速、直觀診斷電氣設(shè)備的特點(diǎn)[7]。

4　超聲紅外熱像檢測(cè)

超聲紅外熱像檢測(cè)方法是以超聲波作為激勵(lì)源，將該激勵(lì)注入到被檢測(cè)物體，以主動(dòng)方式引起溫差的分布變化。因?yàn)槌暡ㄔ趥鞑ヂ窂街杏龅饺毕莸炔痪鶆蚪Y(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)引起超聲波附加衰減，使局部溫度升高，利用紅外成像技術(shù)觀測(cè)物體表面的溫度場(chǎng)即可方便觀察和測(cè)量其結(jié)構(gòu)是否異常。超聲紅外熱像檢測(cè)能直觀反映物體的聲學(xué)及熱力學(xué)性質(zhì)，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

超聲紅外熱像檢測(cè)裝置包括超聲波發(fā)射器、紅外熱像儀、采集及完成數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)等。檢測(cè)時(shí)首先根據(jù)需要設(shè)定超聲控制器所需參數(shù)，然后將被測(cè)裝置置于超聲發(fā)射裝置（超聲槍）的下方或側(cè)下方，并向試件發(fā)射聲能。當(dāng)一定的超聲波聲能耦合進(jìn)所測(cè)裝置后，即可通過紅外熱像儀連續(xù)觀測(cè)和記錄試件表面的溫場(chǎng)變化，計(jì)算機(jī)將采集到的紅外熱像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，最后對(duì)被內(nèi)部的缺陷進(jìn)行定量診斷。該方法克服了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)不直觀無記錄的缺點(diǎn)，降低了檢測(cè)中的人為干擾，是定量無損檢測(cè)的重要依據(jù)[8-9]。超聲紅外熱像顯示的裂紋見圖3。

圖2　變電器電纜連接處紅外熱像圖

圖3　超聲紅外熱像顯示的裂紋

超聲紅外熱像技術(shù)對(duì)裝備殘余應(yīng)力分布和不均勻結(jié)構(gòu)都非常敏感，因此在測(cè)量時(shí)不必考慮超聲波發(fā)射源和被檢測(cè)物體缺陷之間的相對(duì)位置和距離。實(shí)踐證明，將超聲紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)械設(shè)備的疲勞裂紋和沖擊損傷的檢測(cè)十分有效。

5　激光全息檢測(cè)

激光全息無損檢測(cè)法是通過對(duì)被檢測(cè)物體施加外加熱載荷或機(jī)械載荷等，使物體產(chǎn)生微小的形變,由于缺陷部位的形變量與其他正常部位的形變不同，通過比對(duì)加載前后所形成的全息圖像來反映材料以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。基本的檢測(cè)原理可簡(jiǎn)述如下：首先，由激光器發(fā)出的激光經(jīng)由分束鏡一分為二，一束直接投射到全息干版上,用另一束去照射被檢測(cè)物體并將其反射到干版上,使干版曝光得到一張?jiān)既D。第二步，將被測(cè)物體實(shí)施熱加載后,重復(fù)上述過程在干版上，得到第二張全息圖。這樣在一塊干版上疊加的全息圖就記錄了被測(cè)物體在兩種不同狀態(tài)下的光波場(chǎng)，經(jīng)過比對(duì)和分析后就可對(duì)被檢物體的實(shí)時(shí)狀況得出結(jié)論。

激光檢測(cè)的另一種常用手段是利用全息干涉計(jì)量技術(shù)的激光散斑檢測(cè)法，它充分利用了激光相干性好的特點(diǎn)，將加載前后被檢測(cè)物體的激光散斑圖進(jìn)行疊加,并利用缺陷形成的干涉條紋對(duì)缺陷定位。由于無需參考光路,因而具備受外界干擾小，便于在現(xiàn)場(chǎng)操作的優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著視頻拷貝技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理圖像技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外諸多研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)將激光檢測(cè)技術(shù)與光纖、CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)圖像處理等新技術(shù)相結(jié)合，激光全息干涉條紋可以快速、準(zhǔn)確地經(jīng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像自動(dòng)處理達(dá)到直接顯示、實(shí)時(shí)觀察的目的?？梢灶A(yù)見得是，激光全息無損檢測(cè)與CCD攝像、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理圖像等數(shù)字化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將使這一先進(jìn)技術(shù)向數(shù)字化、圖像化、智能化等多領(lǐng)域方向發(fā)展[10]。

6　結(jié)束語

我國(guó)無損檢測(cè)技術(shù)的研究是從20世紀(jì)50年代后期開始發(fā)展起來的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，已成為為金行業(yè)日常定期檢測(cè)的項(xiàng)目。將無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于冶金機(jī)械安檢中，能夠?qū)σ苯鹪O(shè)備重要承載部位進(jìn)行安全性評(píng)估，有效地避免安全生產(chǎn)隱患，值得推廣。

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App lication of the Nondestructive Inspection Technology to Safety Inspection of Metallurgy M achinery

DING Feng and JIANG Shu-jie
(Tianjin Metallurgical Vocation-technology Institute,Tianjin 300400,China)

The paper analyzes the app lication of several nondestructive inspection technologies such as ultrasonic inspection,infrared thermal image nondestructive inspection,ultrasonic infrared thermal image inspection and laser holography testing to the safety inspection ofmetallurgymachinery.Providing fast and accurate basis for the safety inspection operator tomake decision,nondestructive inspection technologies are important approaches of eliminating hidden failure in production and ensuring safe production.

ultrasonic inspection;infrared inspection;laser inspection;defect;detection

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.013

2015-10-17

2015-11-02

丁鋒（1977—），講師，主要從事控制理論、控制工程方面的教學(xué)及研究工作。