無損檢測技術(shù)及應(yīng)用

馬 超

(樂凱醫(yī)療科技有限公司，河北 保定 071054)

1 無損檢測技術(shù)的發(fā)展歷程

無損檢測技術(shù)經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即無損探傷(Nondestructive inspection，NDI)、無損檢測(Nondestructive testing，NDT)和無損評價(Nondestructive evaluation，NDE)。目前一般統(tǒng)稱為無損檢測(NDT)，而不是特指上述的第二階段。無損檢測就是利用聲、光、磁、電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進而判定被檢對象所處技術(shù)狀態(tài)(如合格與否、剩余壽命等)的所有技術(shù)手段的總稱。不僅在產(chǎn)品質(zhì)量控制中起著不可替代的作用，已為眾多科技人員和企業(yè)界所認同，而且對運行中設(shè)備的在役檢查也發(fā)揮著重要作用。

無損探傷技術(shù)主要于20世紀50～60年代開始得到應(yīng)用，作為無損檢測的初級階段，其特點是技術(shù)和任務(wù)都較為簡單。在技術(shù)手段上可選擇的并不豐富，主要采用超聲、射線等技術(shù)；在任務(wù)上主要是檢測試件是否存在缺陷或者異常，其基本任務(wù)是在不破壞產(chǎn)品的情況下發(fā)現(xiàn)零件或者構(gòu)件中的缺陷，滿足工程需要，其檢測結(jié)論主要分為有缺陷和無缺陷兩類。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是生產(chǎn)對無損檢測技術(shù)的需求不斷提升，僅僅檢測出是否有缺陷顯然不能滿足人們的實際需求。在無損檢測這一發(fā)展階段，不僅僅是探測出試件是否含有缺陷，還包括探測試件的一些其他信息，如缺陷的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、位置等，并試圖通過檢測掌握更多的信息，對于國際上的工業(yè)發(fā)達國家，這一階段大致開始于20世紀70年代末或者80年代初。

盡管第二階段的無損檢測技術(shù)已經(jīng)能夠滿足大部分工業(yè)生產(chǎn)的需求，但是隨著對材料、構(gòu)件等質(zhì)量要求不斷提高，特別是對在役設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性的需求越加突出，無損檢測技術(shù)進入了第三階段，即無損評價階段。這一階段的一個標志性事件是1996年在新德里召開的第14界世界無損檢測大會(Word conference on NDT，WCNDT)上，提出了將無損檢測變?yōu)闊o損評價這一重要觀點，并很快被各國無損檢測界所接受。在這一階段，人們不僅要對缺陷的有無、屬性、位置、大小等信息進行掌握，還要進一步評估分析缺陷的這些特性對被檢構(gòu)件的綜合性能指標(例如壽命、強度、穩(wěn)定性等)的影響程度，最終給出關(guān)于綜合性指標的某些結(jié)論。目前工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)處于這一發(fā)展階段，其他國家有些尚以第二階段的技術(shù)為主，有些則已經(jīng)處在第二階段到第三階段的發(fā)展過渡中。

2 常用無損檢測技術(shù)介紹

無損檢測主要有6種方法：超聲波檢測UT(Ultrasonic Testing)、射線檢測RT(Radiographic Testing)、磁粉檢測MT(Magnetic Particle Testing)、滲透檢測PT(Penetrate Testing)、渦流檢測ET(Eddy Current Testing)和目測VT(Visual Testing)。

國家能源局在2015年發(fā)布的新標準NB/T 47013《承壓設(shè)備無損檢測》中，除了這6種常用方法之外，還對泄露檢測(使用空氣、惰性氣體，例如自行車補胎)、聲發(fā)射檢測、TOFD 、X射線數(shù)字成像檢測、漏磁檢測、脈沖渦流檢測(相比常規(guī)渦流檢測范圍更寬、效率更高、厚度更大)等方法進行標準化，其中TOFD實際應(yīng)用較多。此外，沒有列入標準的工業(yè)CT和實時成像也有著廣泛的應(yīng)用。下面就常用方法進行介紹。

2.1 超聲檢測UT

超聲波換能器產(chǎn)生的聲波發(fā)射到被測試的材料，隨著聲波穿透材料，在背面會發(fā)生反射或回波，任何內(nèi)部的不連續(xù)性都會反射聲波，并且生成一個信號發(fā)送到接收器。收到不同回波的時間被記錄下來，以確定材料的厚度和產(chǎn)品中不連續(xù)的距離。

2.2 射線檢測RT

2.2.1傳統(tǒng)射線檢測

射線對于檢測材料和制品中隱藏的缺陷是非常有用的。值得一提的是，射線檢測在檢測物品的體積性缺陷方面尤其有效，如孔隙、氣孔和固體內(nèi)含物。盡管它不能用于測量缺陷的厚度，但很容易確認缺陷的性質(zhì)和尺寸(長度和寬度)，這種檢測方法的另一個好處是：通過將被測試物品放到一個底片上，就能永久記錄缺陷。為了做到這一點，將電離輻射的源放在被檢測產(chǎn)品的一側(cè)，將裝在暗袋內(nèi)的底片放置在非?？拷a(chǎn)品另一側(cè)的地方。輻射在傳輸過程中被部分吸收，由于材料厚度或吸收特性的不同，導致輻射被吸收的不同程度被記錄在底片上。事實上，底片是對可見光敏感的，而不是對X射線敏感，是暗袋內(nèi)底片兩側(cè)的金屬增感屏將射線轉(zhuǎn)換為可見光。這種底片也就是工業(yè)無損探傷膠片。

中國航天科技有限公司旗下的樂凱醫(yī)療科技有限公司，與其他幾家跨國感光材料企業(yè)一道，在傳統(tǒng)射線檢測領(lǐng)域服務(wù)多年，生產(chǎn)的立方體和T顆粒鹵化銀系列工業(yè)無損探傷膠片，是航天“黑科技”之一。具體工業(yè)探傷膠片類別、特性以及各公司型號，請參考表1。樂凱工業(yè)無損檢測系列膠片采用先進的雙注乳劑制備技術(shù)，精確控制乳劑晶型及大小，制備不同特性工業(yè)無損檢測膠片，滿足不同用途需要。

此外，陽光片在歐美發(fā)達國家和沙特阿拉伯等能源國家有著廣泛的應(yīng)用，陽光片顧名思義，也就是能夠見得了陽光的膠片，這是相對于傳統(tǒng)概念感光膠片不能見光而言的，也就是生產(chǎn)廠家事先將膠片包好在含有增感屏的暗袋里，在工地現(xiàn)場直接使用，省去了在暗室將膠片裝暗袋這一步驟。

表1 工業(yè)探傷膠片類別、特性及各公司型號[1-3]

注：1.表中的黑度值D均指不包括灰霧值的凈黑度；2.樂凱L型系列膠片為立方體鹵化銀顆粒，LA系列膠片為T顆粒鹵化銀顆粒

2.2.2數(shù)字化射線檢測

計算機射線照相CR(computer radiography)是指將射線透過工件后的信息記錄在成像板上，經(jīng)掃描裝置讀取，再由計算機生出數(shù)字化圖像的技術(shù)。因為IP板價格昂貴，成像板被照射次數(shù)有限，而且不適合野外作業(yè)，所以無法推廣。

DR(digital radiography)通常指采用電子成像板技術(shù)-平板檢測器技術(shù)(FPD Technique)，平板技術(shù)一般源于醫(yī)療數(shù)字成像。

2.3 磁粉檢測MT

磁粉探傷可用于檢測在鐵磁材料的表面和近表面的缺陷。為了進行這樣的檢測，一個永久磁鐵、電磁鐵或電磁線圈將用來在被檢測樣品上產(chǎn)生一個磁場。如果在被檢測的產(chǎn)品中存在缺陷，磁通將被扭曲和“泄漏”。精細的磁粉顆粒(通常懸浮在載體液中以噴霧形式噴出)用于試樣表面，它們被吸引到磁通泄漏的區(qū)域，形成一個可見的缺陷指示。

2.4 滲透檢測PT

滲透檢測是一種使用廣泛且成本低廉的檢測方法。它被用于定位在所有非多孔性材料(如金屬和塑料)表面的裂紋。該檢測方法將可見或熒光染料施加到被測試產(chǎn)品的表面，這種染料可以用溶劑或水洗去。通過浸漬或噴霧的形式將染料施加到被測試產(chǎn)品表面后，它們能經(jīng)由毛細作用進入任何不連續(xù)缺陷中。染料進入不連續(xù)的時間稱為停留時間，通常至少需要20 min。

2.5 渦流檢測ET

給一個線圈通入交流電，在一定條件下通過的電流是不變的。如果把線圈靠近被測工件，像船在水中那樣，工件內(nèi)會感應(yīng)出渦流，受渦流影響，線圈電流會發(fā)生變化。由于渦流的大小隨工件內(nèi)有沒有缺陷而不同，所以線圈電流變化的大小能反映有無缺陷。穿過式線圈用來檢測管材、棒材和線材，它的內(nèi)徑略大于被檢物件，可發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、凹坑等缺陷；探頭式線圈用于對試件進行局部探測，應(yīng)用時線圈置于金屬板、管或其他零件上，可檢疲勞裂紋；插入式線圈也稱內(nèi)部探頭，放在管子或零件的孔內(nèi)用來作內(nèi)壁檢測，可用于檢查各種管道內(nèi)壁的腐蝕程度等。

2.6 TOFD檢測

TOFD(time of flight diffraction)是衍射時差法超聲檢測技術(shù)，采用一發(fā)一收兩個寬帶窄脈沖探頭進行檢測，探頭相對于焊縫中心線對稱布置。發(fā)射探頭產(chǎn)生非聚焦縱波波束，以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ唤邮仗筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。

特點：(1)一次掃查幾乎能夠覆蓋整個焊縫區(qū)域(除上下表面盲區(qū))，可以實現(xiàn)非常高的檢測速度；(2)可靠性好，對于焊縫中部缺陷檢出率很高；(3)能夠發(fā)現(xiàn)各種類型的缺陷，對缺陷的走向不敏感；(4)可以識別向表面延伸的缺陷；(5)采用D-掃描成像，缺陷判讀更加直觀；(6)對缺陷垂直方向的定量和定位非常準確，精度誤差小于1 mm；(7)和脈沖反射法相結(jié)合時檢測效果更好，覆蓋率100%；(8)不適合于T型焊縫檢測。

2.7 超聲相控陣技術(shù)

超聲技術(shù)的發(fā)展，除了TOFD之外，還有PAUT(phased array ultrasonic testing)即超聲相控陣檢測技術(shù)，此新技術(shù)發(fā)展很快，但是尚未建立國家標準。超聲相控陣檢測技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)焦點和聲束方向的變化，從而實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。然后采用機械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實現(xiàn)圖像成像。

特點：與傳統(tǒng)的手工超聲波檢測和射線檢測相比，相控陣具有以下優(yōu)勢：(1)檢測靈活性高、速度快，現(xiàn)場檢測時只需要對環(huán)焊縫進行一次簡單的掃查而無需來回移動即可完成全焊縫檢測；(2)檢測結(jié)果直觀、重復性好，可實時顯示。在掃查的同時可對焊縫進行分析、評判?？纱蛴　⒋姹P，實現(xiàn)檢測結(jié)果的永久性保持；(3)可檢測復雜形面或難以接近的部位；(4)缺陷定位準確，檢測靈敏度高；(5)作業(yè)強度小，無輻射無污物。

2.8 工業(yè)CT

工業(yè)CT是工業(yè)用計算機斷層成像技術(shù)的簡稱，它能在對檢測物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況，被譽為當今最佳無損檢測和無損評估技術(shù)。工業(yè)CT技術(shù)涉及核物理學、微電子學、光電子技術(shù)、儀器儀表、精密機械與控制、計算機圖像處理與模式識別等多學科領(lǐng)域，是一個技術(shù)密集型的高科技產(chǎn)品。工業(yè)CT廣泛應(yīng)用于汽車、材料、航天、航空、軍工、國防等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，是航天運載火箭、飛船航空發(fā)動機、大型武器、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，以及機械產(chǎn)品質(zhì)量的重要檢測手段。

2.9 實時成像

實時成像，是一種X射線無損檢測方法。早期因得到的圖像為模擬圖像，因此稱其為實時成像，也被稱做工業(yè)電視。它是通過屏幕實時顯示檢測結(jié)果圖像的方法，利用該圖像對檢測對象材料進行定性、定量的分析、判斷和評估，從而獲得檢測對象材料的均勻性和一致性，或獲得對象結(jié)構(gòu)、裝配、材料密度、厚度等信息，達到無損檢測的目的。實時成像方法因其檢測圖像直觀清晰、檢測速度快和成本低的優(yōu)勢，受到業(yè)界高度關(guān)注和快速發(fā)展。

3 工件缺陷與無損檢測對照表

根據(jù)工件缺陷的特點選擇合適的無損檢測方法，是相關(guān)從業(yè)人員的必備技術(shù)。在實際工作中，經(jīng)常會有復雜的、多缺陷集合在一起的情況，那么就需要具體情況具體分析，制定合適的檢測方法，有時候需要專門設(shè)計、定制一些特殊裝備。普通的工件缺陷與無損檢測方法對照，請參考表2。

注1：VT——目視檢測,PT——滲透檢測,MT——磁粉檢測,ET——渦流檢測,RT——射線檢測,DR——X射線數(shù)字成像檢測,UTA——超聲檢測(斜入射),UTS——超聲檢測(直入射),TOFD——衍射時差法超聲檢測;●——在通常情況下，此項無損檢測技術(shù)都能檢測這種缺陷；◎——在特殊條件下，此項無損檢測技術(shù)將能檢測這種缺陷；○——檢測這種缺陷要求專用技術(shù)和條件

4 無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

4.1 航天航空

航天航空領(lǐng)域仍然是NDT使用最頻繁的領(lǐng)域。航空零件組裝到航空器之前要進行檢查，而后在其使用壽命中也要進行定期檢查。航空器的零件需要設(shè)計成重量盡量輕，并能夠發(fā)揮高強度的功能，這就意味著它們要承受很高的載荷，而本身輕薄的重量使得一個小的缺陷就能夠?qū)е缕骷膿p壞。航空器持續(xù)進行飛行、降落、滑行、機艙加壓，許多器件會產(chǎn)生疲勞裂紋，這些疲勞裂紋會隨著時間而逐漸生長、長大，會造成航天器破損而帶來極大的安全隱患。因此，定期對航天器進行檢驗成為航天器安全使用的必要措施。

在航空領(lǐng)域NDT應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：(1)渦扇葉片的檢測：葉片邊緣等檢測；(2)復合粘接件的檢測：在航空器領(lǐng)域應(yīng)用了許多，利用膠粘劑粘合的零件。利用NDT對其檢驗會增加其可靠性；(3)復合蒙皮材料結(jié)構(gòu)的檢測：在航天器和航空領(lǐng)域，大量使用碳纖維/環(huán)氧樹酯蒙皮和鋁蜂窩復合材料，這主要是為了減輕重量，從而降低燃料消耗、降低運營成本。這些材料同樣要進行定期的檢查；(4)航空零件的檢測：大量的航空用異形零件，需要用NDT技術(shù)進行檢查；(5)多層鋁結(jié)構(gòu)器件的檢測：機身結(jié)構(gòu)的監(jiān)測對于安全來講非常重要。通過對鋁多層鉚接零件監(jiān)測，可以防止災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)損壞。NDT這時能夠發(fā)揮重要作用。

毫無疑問，飛機工業(yè)的成功依賴于無損檢測技術(shù)。沒有無損檢測，飛機的保養(yǎng)、飛行將會增加巨大的成本，而飛行的安全性也會降低。

4.2 鐵軌檢測

在鐵路發(fā)展早期，由于鐵軌缺陷造成許多事故，甚至脫軌事故。因此，美國在20世紀20年代就有成立專門的鐵路檢測公司對鐵路進行保養(yǎng)。當然，人工巡檢也變成了鐵路多年的例行制度。

鐵軌的無損檢測，早期采用的是磁場檢測。如美國的Sperry公司，在1928年前后建立了磁場檢測方法，把檢測設(shè)備裝進一個巡檢車在鐵軌上行車巡檢。磁場檢測對于鐵軌橫向的裂縫比較敏感，而其他內(nèi)含的缺陷、接縫、分層、腐蝕等缺陷不敏感。而這些缺陷也是造成疲勞裂縫的原因。因此，20世紀60年代，美國開始使用超聲的探傷設(shè)施，檢測設(shè)備同樣建成檢測車以6.5英里和13英里的時速運行巡檢。

當前，我國鐵路里程越來越長，而且高鐵行駛里程也在萬公里以上，高鐵車輛及路軌對無損檢測的要求也越來越高。除了制度上完善每天“窗口期”的人工巡檢，還有更多的無損檢測設(shè)施也投入使用，這些設(shè)施包括有軌檢(動檢)車、機載報警儀、便攜式添乘儀、人工添乘、線路精測小車、電子軌檢儀等，均能進行精密作業(yè)。

4.3橋梁檢測

按照橋梁的建設(shè)規(guī)范要求，橋梁的使用年限要長于道路年限，最長的要求使用年限在100年，所以，對于橋梁的維護檢測更為必要。橋梁檢測一般配置一定數(shù)量的高性能養(yǎng)修設(shè)備,加強對橋梁的監(jiān)控。高性能的無損檢測設(shè)備，如：電阻探頭、聲發(fā)射探頭等探測混凝土中鋼筋的腐蝕情況；先進的超聲波、射線設(shè)備檢測鋼結(jié)構(gòu)的裂縫、缺陷；超聲回探儀測混凝土的強度等。

在我國，越來越多的橋梁建在峽谷上，需要大量使用斜拉結(jié)構(gòu)，對使用斜拉鋼材的無損檢測也越來越重要。同時，當前運輸中存在的超載等違法現(xiàn)象時有發(fā)生，容易造成橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫等，道路橋梁的承載也承受著考驗。

此外，無損檢測在造船、鋼索檢測、石油輸送管道的檢測，以及國防領(lǐng)域也正大量使用。無損檢測的發(fā)展和技術(shù)的提高會對許多工業(yè)領(lǐng)域帶來極大的便利，并使許多行業(yè)的運行成本得到極大降低。因此，無損檢測的研究有極其重要的意義。