无损检测技术在冶金设备机械安检中的应用

丁　锋，姜树杰（天津冶金职业技术学院，天津300400）

无损检测技术在冶金设备机械安检中的应用

丁锋，姜树杰
（天津冶金职业技术学院，天津300400）

分析了超声波检测、红外热像无损检测、超声红外热像检测、激光全息检测等几种无损检测技术在冶金机械设备安检中的应用情况。无损检测技术能够为安检操作人员提供快速准确的决策依据，是冶金生产消除故障隐患、保证安全生产的重要手段。

超声检测；红外检测；激光检测；缺陷；探伤

1　引言

随着现代冶金工业的快速发展，对冶金机械设备的生产效率、连续性生产的安全性和可靠性提出了越来越高的要求。无损检测技术在不改变设备原有结构、特性的前提下，能够向安检操作人员提供快速准确的决策依据，已成为消除故障隐患，保证安全生产的重要手段。无损检测是根据设备内部结构异常或缺陷所引起的对热、声、光、磁等反应的变化，对设备状况做出判断和评价。冶金机械设备安全检测中常用的监测手段包括有超声波检测、红外热成像、激光检测、涡流检测及全息照相等[1-2]。

2　超声波检测

超声波的频率高于20 kHz，超出人能接受到的20 Hz~20 kHz的频率范围（低于20 Hz的为次声波）。超声波分为横波、纵波和表面波，在传播过程中方向性好，穿透能力强，在传播过程中若遇到不同介质时，会在两种介质的交界处产生反射。超声波无损探伤利用超声波的这一性质来进行检测。一旦设备内存在缺陷，即使十分细小的裂纹，也会造成超声波不能继续传播的阻挡层，使通过这种裂纹的超声波声能大幅降低。常用的超声波检测有透射检测法和脉冲反射法两种。利用透射法检测时，将超声波发射探头和接收探头分别放置在被检测试件的两侧，这样利用监测接受探头所接收到的超声波声能的强度即可获得材料内部缺陷的信息[3]。为保证探头和试件之间具有良好的声耦合，通常需要辅以耦合剂，用以排出探头与工件间的空气薄层，消除不同介质界面间强烈杂乱反射波对测量结果的干扰。脉冲反射法测试是将发射探头放置于被检测工件的表面并来回移动，探头发出的超声波以声速向工件内部传播，如果工件内部没有缺陷，超声波只有传到工件的底部时才会发生反射，那么显示屏上只呈现始脉冲T和底部反射脉冲B。一旦工件中存有缺陷，声波在向底部传播中会有一部分声波因缺陷的存在而产生反射，另一部分继续传播至工件的底部才发生反射。这样在显示屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还会呈现缺陷脉冲F，如图1所示。显示屏上的水平时间基线的长度与工件的厚度成正比，因此，通过缺陷脉冲在显示屏上的位置和幅值可大致确定缺陷在工件中的位置和缺陷面积的大小，缺陷脉冲的幅度越高，说明缺陷面积越大。利用超声波可对1 mm至几米的金属、非金属、复合材料的被测对象进行无损检测，对于表面的穿透裂纹和表层下缺陷的检出率高，且具有速度快，定位准确，对人体和环境无害的优点[4-5]。

图1　超声波反射法检测示意图

3　红外热像无损检测

红外热成像技术通过非接触检测被测物体的表面温度场，并以温度分布热图像的形式在显示屏上直接显示，进而推断物体内部是否存在缺陷。它将人们的视觉范围从可见光扩展到红外波段，再现人眼在可见光范围内无法观察到的物体外型轮廓或表面热分布，为准确判断设备运行状态和查找故障点提供帮助。红外热成像技术的优点是不受电磁干扰，所以广泛应用于检测电力设备和电力传输线路[6]。

在电力系统中，电气设备的运行异常大多伴有发热现象，如冶金电缆因外在因素造成的机械损伤、绝缘老化、过流及过电压造成的击穿等；电机内部铁芯、绕组因绝缘层损坏而导致的短路、过载及散热故障；电气连接件接线端子的松动脱落、氧化腐蚀等引起温度上升，造成局部过热或整体温度异常。一般情况下，温度异常处较其他正常温度高出10~15℃。因此，利用红外热成像仪对设备巡检，以设备的热状态分布为依据对设备运行状态良好与否进行诊断，随时掌握设备运行状态，早期发现隐患或迅速诊断出事地点，减少经济损失。图2所示为变电器电缆连接处局部接线端子出现过热情况的红外热像图。红外热成像仪检测故障具有不停产、不接触、远距离、快速、直观诊断电气设备的特点[7]。

4　超声红外热像检测

超声红外热像检测方法是以超声波作为激励源，将该激励注入到被检测物体，以主动方式引起温差的分布变化。因为超声波在传播路径中遇到缺陷等不均匀结构时会引起超声波附加衰减，使局部温度升高，利用红外成像技术观测物体表面的温度场即可方便观察和测量其结构是否异常。超声红外热像检测能直观反映物体的声学及热力学性质，具有十分广阔的发展前景。

超声红外热像检测装置包括超声波发射器、红外热像仪、采集及完成数据处理的计算机等。检测时首先根据需要设定超声控制器所需参数，然后将被测装置置于超声发射装置（超声枪）的下方或侧下方，并向试件发射声能。当一定的超声波声能耦合进所测装置后，即可通过红外热像仪连续观测和记录试件表面的温场变化，计算机将采集到的红外热像进行数据处理和分析，最后对被内部的缺陷进行定量诊断。该方法克服了传统超声检测不直观无记录的缺点，降低了检测中的人为干扰，是定量无损检测的重要依据[8-9]。超声红外热像显示的裂纹见图3。

图2　变电器电缆连接处红外热像图

图3　超声红外热像显示的裂纹

超声红外热像技术对装备残余应力分布和不均匀结构都非常敏感，因此在测量时不必考虑超声波发射源和被检测物体缺陷之间的相对位置和距离。实践证明，将超声红外热像技术应用于煤矿机械设备的疲劳裂纹和冲击损伤的检测十分有效。

5　激光全息检测

激光全息无损检测法是通过对被检测物体施加外加热载荷或机械载荷等，使物体产生微小的形变,由于缺陷部位的形变量与其他正常部位的形变不同，通过比对加载前后所形成的全息图像来反映材料以及结构内部是否存在缺陷。基本的检测原理可简述如下：首先，由激光器发出的激光经由分束镜一分为二，一束直接投射到全息干版上,用另一束去照射被检测物体并将其反射到干版上,使干版曝光得到一张原始全息图。第二步，将被测物体实施热加载后,重复上述过程在干版上，得到第二张全息图。这样在一块干版上叠加的全息图就记录了被测物体在两种不同状态下的光波场，经过比对和分析后就可对被检物体的实时状况得出结论。

激光检测的另一种常用手段是利用全息干涉计量技术的激光散斑检测法，它充分利用了激光相干性好的特点，将加载前后被检测物体的激光散斑图进行叠加,并利用缺陷形成的干涉条纹对缺陷定位。由于无需参考光路,因而具备受外界干扰小，便于在现场操作的优点。目前，随着视频拷贝技术和计算机处理图像技术的快速发展，国内外诸多研发机构已经将激光检测技术与光纤、CCD摄像机和计算机图像处理等新技术相结合，激光全息干涉条纹可以快速、准确地经由计算机进行图像自动处理达到直接显示、实时观察的目的。可以预见得是，激光全息无损检测与CCD摄像、计算机实时处理图像等数字化技术的有机结合，将使这一先进技术向数字化、图像化、智能化等多领域方向发展[10]。

6　结束语

我国无损检测技术的研究是从20世纪50年代后期开始发展起来的，随着科学技术的发展而不断进步，已成为为金行业日常定期检测的项目。将无损检测技术应用于冶金机械安检中，能够对冶金设备重要承载部位进行安全性评估，有效地避免安全生产隐患，值得推广。

[1]郑晖，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[2]任杰.煤矿设备维修中无损检测技术的应用探究[J].科技资讯（信息技术版），2012（6）：66-70.

[3]杨富强.无损检测技术在机械设备安全检测中的应用[J].矿山机械，2012（7）：22-25.

[4]郭美声.无损检测技术在煤矿机械设备维修中的应用[J].煤炭技术，2012（12）：36.

[5]郭军.超声波技术在机械制造中的应用[J].辽宁高职学报，2013（5）：45-46.

[6]王继坤.数字激光全息技术的应用与发展[J].中国品牌与防伪，2007（6）：55-56.

[7]沈健中.无损检测几个热点问题和技术[J].无损检测，2005（1）：36.

[8]赵明岗.红外热成像技术在煤矿设备故障判断中的应用[J]。煤矿机电，2013（8）：42-43.

[9]戴景民，汪子君.红外热成像无损检测技术及其应用现状应[J].自动化技术与应用，2007（1）：77-79.

[10]耿荣生，景鹏.蓬勃发展的我国无损检测技术[J].机械工程学报，2013（9）：31-32.

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

丁锋（1977—），讲师，主要从事控制理论、控制工程方面的教学及研究工作。