几种新的无损检测方法及应用实例

2011-10-21农金龙

大众科技 2011年5期

关键词：微波材料检测

农金龙

(广西特种设备监督检验院，广西南宁 530219)

几种新的无损检测方法及应用实例

农金龙

(广西特种设备监督检验院，广西南宁 530219)

介绍几种目前国内外较新的无损检测方法,从原理、特点及其应用范围等方面阐述其在各自领域上的优势和前景，对西部地区工程项目建设中涉及到无损检测的单位和人员有较为实在的指导意义。

磁记忆；低频漏磁；远场涡流；微波；声发射

铁路、桥梁及其它特种设备的安全直接影响到国家的经济运行和人民的生命财产的安全，通过无损探伤检测，可对上述设备进行质量评价、运行安全和寿命评估，预防事故发生，具有重大的社会效益和经济效益。目前，常用的、国家有明确的相关法规标准的无损检测方法有磁粉、渗透、超声波、射线、涡流、声发射等检测方法。

无损检测技术是以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及某些物理性能的技术。

常用的无损检测方法由于检测到的是已经存在的缺陷，不能预判未出现的缺陷。解决不了设备突发性破坏情况；对被检对象表面，需要进行去除护层、打磨等预处理，劳动强度大；效率低，成本高；另外。所检对象形状、结构和检测技术人员水平等因素影响检测结果；容易发生漏检；一般要求被检测对象停止工作。检测时有的工作条件恶劣而不能进行常规的无损检测，极易引发宏观缺陷，发生断裂或爆炸，引发事故。因此，介绍、引进和开发新的无损检测方法，在新的形势下，对大型、高参数、高要求的铁路、桥梁及其它特种设备的安全检测，有着十分重要的实际意义。

本文结合国内和本地运用的实际，介绍几种新的、经实践证明可行有效的几种无损检测方法的原理、特点、运用范围和实例，为广大使用单位和管理者、应用者提供参考和帮助。

（一）磁记忆检测

1.原理：

图1 磁记忆检测系统图

用铁来制作工件在地球磁场中的运行时，当工件受到拉伸、挤压、扭曲和周期性变化负载等作用时及地球磁场的同时作用下，应力集中区域的磁导率变小，工件表面的磁场加强，变强后的磁场记录了工件的缺陷或应力集中的位置，这就是所谓的“磁记忆”效应，如图 2所示。它可以常规的拉伸试验来验证，即把钢制拉伸试件装在拉力试验机上，测量试件表面沿轴线漏磁场Hp (y)的分布。

图2 磁记忆检测原理图

图3 工作拉伸试验图

图4 应力对磁滞回线的影响

如图3(a)所示，其中Hp(y)=0处为应力集中线，然后对试样加上和应力集中线垂直的；力P再做拉力试验。从图3(b)可见，试样的断裂的地方正好出现在应力集中线处[Hp(y)=0]。实践中，直接测量工作表面沿轴线漏磁场Hp(y)的分布就是缺陷所在的位置。

2.特点

（1）能准确定位被检测对象中应力和变形集中区。

（2）不用对被检测对象表面进行去除护层、打磨等预处理，降低了成本，降低劳动强度。

（3）结果可靠，检测信号明显，准确性强。

（4）早期诊断和评价设备的安全性。

（5）无需停止要检设备的运行。

（6）快速检测(100 m／h)和过程自动化，效率高，不容易漏检。

（7）不用专门的磁化装置，检测设备的体积小。重量轻、成本低。

（8）快速定位应力集中点(线)。

（9）与被检设备不用接触，特别适合现场使用。

（10）使用的仪器尺寸小，携带方便，有自备电源和记录装置，能与电脑和打印机连接，基本不受设备结构和现场环境影响，便于野外使用。

3.应用的范围和实例

金属磁记忆检测方法作为一种新型的早期诊断方法，正以其独特的优势在石油储罐、压力管道、锅炉、汽轮机等行业发挥着作用；并开始应用于石油天然气长输管道的监测中，目前，该方法可以评定设备和结构的寿命；确定工件上微小裂纹在萌生初期至扩展阶段的过程中，裂纹周围的磁场分布情况和应力之间的关系；按组织结构的不均匀性快速分选新的和使用过的机械制件；确定应力集中区金属取样的部位以及评价其结构。

实例：1）电力行业的部件检测中，如汽包、汽水管座角焊缝的检测；2）汽轮机叶片叶身的检测；3）对大型油罐和石化管道的检测。

4.前景及不足

当前，金属磁记忆检测技术是一种新兴的无损检测技术，还不够完善，国产的磁记忆检测仪器功能比较单一，国际上也还没有形成部件磁记忆检测法及评判应力集中的统一标准，一般还是将其作为其他常规无损检测方法的辅助手段，配合使用。另外，使用该方法在某些整体应力状态较差的设备部件上检测时，相对于常规检测方法，信号响应过于灵敏，有时甚至会造成检测难以进行的情况。

（二）低频漏磁检测

1.原理

如下图，用磁化器去磁化被测铁磁材料时，如果材料的材质是均匀无缺陷的，则材料中的磁感应线将被限定在材料中，磁通是与材料表面的平行，差不多没有磁感应线从材料表面穿出，检查表面时没有磁场。若材料中存在着与磁力线成一定角度的缺陷时，材料表面的缺陷或内部组织状态变化会使磁导率大小改变，当缺陷的磁导率很小，磁阻很大时，磁路中间的磁通会产生畸变，磁感应线会改变连接的途径，除开部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外，另有磁通会离开材料表面，穿过空气后，绕过缺陷，再次进入材料，在材料表面缺陷处形成漏磁场。通常将磁粉检测漏磁通的方法称为传统的磁粉检测法，而将采用磁敏传感器检测则称为漏磁检测法。

图5 漏磁检测原理

2.特点

（1）信号从传感器获取，并由软件判断有无缺陷，易组成自动检测系统。

（2）用电脑自动进行缺陷的判断和报警，大大降低人为因素的影响。

（3）对缺陷的可进行初步定量，还可以对缺陷的危害程度进行初步的评价。

（4）采用传感器获取信号高效能、无污染，检测速度快。

（5）在管道的检测中，在厚度高达30mm的壁厚范围内，可同时检测内外壁缺陷。

3.应用范围和实例

目前国内较多的方向有：（1）大量用于钢坯、钢棒、钢管的自动化检测。（2）储罐底板的检测；（3）电站锅炉的水冷壁腐蚀检测；（4）长输和埋地管道的检测；（5）游乐场、索道、矿山、建筑等处钢丝绳的检测；（6）铁轨及车轮的检测。

4.前景和不足

不足：（1）与被检测对象的表面有一定的距离，会产生一定的数据提离，降低了检测灵敏度；（2）传感器不适合检测形状复杂的试件。对于形状复杂的工件，需要特制与其形状匹配的检测器件；（3）有关灵敏度、对危险性缺陷的检出率等，尚需进行大量的试验验证。

前景：随着磁检测传感技术、励磁技术以及信号处理技术的进步，漏磁检测灵敏度将会大大提高，对缺陷的宽度和深度定量检测精度也会大大提高。这种检测方法将会大大降低工作劳动强度，提高检测过程的自动化，得到广泛的应用。

（三）远场涡流检测

1.原理

如下图，远场涡流法是低频涡流检测技术，运用内穿过式探头，由1个激励的线圈和1个测量的线圈组成，在激励线圈上通低频交流电，能量流2次穿过管壁并沿管壁传播，测量用的线圈能测得到来自激励线圈的穿过管壁后返回管内的磁场，能以相同的灵敏度检测到管子内外壁的缺陷及壁薄厚，而不受到趋肤深度的限制。

图6 远场涡流检测探头

2.特点

（1）可以直接用电信号输出检测结果，适宜进行自动化检测。

（2）检测的速度非常快。

（3）适用范围特别广泛，除了检测缺陷以外，又能检测材质变化，尺寸形状的变化等。

（4）特别适用管材、线材的检测。

（5）用于碳钢或其他强铁磁性管子的蚀坑、裂纹等缺陷的检测时效果明显。

（6）安全、防护容易，对人体造成伤害不大。

（7）远场涡流检测是一种提前预测的检测方法，可以预先发现问题，并提前采取预防措施。

（8）不去动管柱即可施行检测，大量作业时减少施工成本，降低重复工作对套管造成的损坏。

（9）对有错断、破裂、外漏和腐蚀的套管有较好的反应。

（10）测井施工过程中，可与噪声测井技术组合应用，使解释结果更可靠。

3.应用范围和实例

（1）可检测碳钢或其他强铁磁性管内外壁缺陷和管壁的厚薄的的情况，探头在管内摆动对检测也基本没有影响。（2）在长输油管线(特别是铁磁性材料管道)有十分的优越性，目前是管道在役检测是最有前途的技术。（3）在核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道的检测。

4.前景和不足

随着远场涡流理论的逐步完善和相应的信号调理技术、信号处理技术、探头设计的不断完善，能满足各种实际需要的、高精度、高速度、智能化的远场涡流检测技术，会在国民经济和国防建设中发挥出巨大的经济效益和社会效益。

不足：（1）探头长度太长，难以在弯管中通过，尽管可以采用机械分段和绞接，但仍难保证其既能通过，又能确保检测线圈位于远场区。（2）检测信号数值太小，通常为微伏或数+微伏数量级，信号的分辨和处理中仍很难。（3）探头运行采用低频激励，限制了它的扫描速度；（4）检测线圈只能反应圆周缺损变化的平均值，直径较小的管子一般多用。直径较大管子管内空间大，只能采用三维探头，采用沿圆周分布一组检测线圈，以直接敏感三维缺损，才能改善缺损特征的表达。

（四）微波检测

1.原理

见下图，综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。

图7 微波无损检测方框图

2.特点

（1）无损检测成像技术：微波技术使分米分辨本领的非接触成像技术成为可能。（2）用于寻找和救护：微波的一个应用技术是寻找被地震、滑坡、建筑物倒塌而掩埋的生命。微波对微小的运动以及标示生命存在的呼吸运动等信息很敏感，既使是失去意识的生命，也能探测到。（3）剩用反射波检测物位液位。（4）用微波实现大气遥感：遥感是获得大气形成过程中瞬间状态的唯一途径。在分米、毫米和亚毫米波段能使空间大气的感知成为可能。（5）新型微波车辆感知器, 设置在道路上，利用汽车反射回的微波，确定汽车的位置并根据多普勒频移确定汽车的运动速度。将数据传给交通管理中心，经过分析进行合理疏导与统计。（6）利用穿透特性测物质的厚度。（7）可用微波分析湿度。

3.应用范围和实例

军事工业、航空航天工业中，各种高性能的复合材料、陶瓷材料等的广泛应用，微波检测技术得到很大的运用。在复合材料制品中，难免会出现气孔、疏松、树脂开裂、分层、脱粘等缺陷。这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用先进的微波检测技术进行评定。

4.前景和不足

微波检测可以实施“非接触”的检测和测试，在连续、快速测量和实现自动化检测方面有很大的应用前景；但其灵敏度受使用频率限制，由于集肤效应不能检查金属、碳纤维等导电材料内部缺陷，分辨力较低。

（五）声发射检测技术

1.原理

将压电陶瓷探头耦合在材料表面上，将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号，之后运用电子设备，将电信号进行适当的放大和处理，使之明显化，并加以显示和记录，以获得材料内声发射源的特性参数。通过分析上述检验过程中，声发射仪器所得的各种参数，就可以知道材料内部缺陷的情况。如果用多通道声发射检测系统，还可以确定声发射源即缺陷的具体部位，如下图。