金属材料超声无损检测与微损测试新技术研究

郑 阳 林树青 郑 晖 李素军

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

金属材料超声无损检测与微损测试新技术研究

郑 阳 林树青 郑 晖 李素军

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

随着技术的进步和社会的发展，无损检测和材料性能测试技术作为质量控制中的主要手段不断进步，然而目前的技术手段仍无法满足金属材料的检测需求。在中国特种设备检测研究院牵头下，20家产学研用单位共同申报了“十三五”国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用（NQI）”专项项目“金属材料超声无损检测及微损测试关键技术研究与仪器研制”并获得立项。本文主要介绍该项目的背景、目标及总体研究方案、预期主要研究成果等相关内容。

无损检测 超声检测 电磁超声 磁声发射 微损测试

1 引言

金属材料是工业装备的主要用材，其质量控制水平直接决定了装备产品的整体质量水平。无损检测和材料性能测试是质量控制的主要技术手段，在装备制造和检维修阶段用于检测母材和结构中的缺陷及测定材料性能，在装备服役阶段用于检测腐蚀、裂纹、疲劳等损伤及测定材料性能劣化程度，近年来进步迅速，应用领域越来越广泛，对质量控制的作用越来越大，已广泛应用于航空航天、石油化工、电力、交通、军工等领域，贯穿产品生产、制造、使用、检修和维护全过程。

随着工业装备水平的发展，无损检测和材料性能测试技术也不断进步，技术发展趋势及需求主要表现为：由发现缺陷向精确定量、准确定性缺陷发展；由定期检测扩大到损伤在线监测；由常温环境检测扩大到高温等极端环境下检测；由缺陷形成后检测扩大到早期损伤检测；由材料性能常规大试样测试发展至微损取样测试。超声检测是无损检测的主要方法之一，涵盖了近50%的无损检测应用，主要用于发现材料缺陷。微损测试是基于小试样获得材料力学性能的方法，对在役设备材料性能测试，具有独特的优势。就超声与微损检测技术而言，针对技术发展趋势及工程应用中的迫切需求，目前还存在以下主要问题：

其一，在缺陷精确定量、准确定性方面，现有超声检测技术如A型脉冲可以发现缺陷，但对缺陷的定量和定性能力较差，TOFD检测技术在内部缺陷高度测量上有较好的精度，相控阵超声一般可以获得缺陷多个视角的二维图像，但它们在缺陷三维形状测量上，还有很大不足。

其二，针对在役设备易接触部位腐蚀、开裂的定时检测目前有众多技术可以实现，但对于高空、埋地等难接触部位检测缺乏有效技术手段，同时腐蚀、开裂是一个逐渐发生的过程，需要长期在线定量监测的技术手段。

其三，随着现代工业的发展，众多装备向着高参数运行发展，如电力中正在努力发展的700℃超超临界锅炉技术，使得适用于高温等极端环境下的检测技术成为迫切需求，超声检测技术中，现有高温压电传感器一般工作于450℃以下，激光超声等技术因为不便现场使用，主要在实验室使用。

其四，在役设备疲劳损伤破坏主要表现为突然性失效，需要及早判定材料疲劳程度，若等到宏观缺陷出现后才能探测出，往往无法避免结构破坏。目前疲劳损伤的检测技术如非线性超声、涡流、磁参数等，主要停留在实验室研究阶段，尚未获得成熟的工业应用，因此需要持续发展疲劳早期损伤检测技术。

其五，材质劣化的评定需要对材料性能进行实验测量，实验室中可以采用常规拉伸、金相等实现，但这些手段对在役设备上的材料性能测试不适用。

针对上述情况，在中国特种设备检测研究院牵头下，20家产学研用单位共同申报了“十三五”国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用（NQI）”专项项目“金属材料超声无损检测及微损测试关键技术研究与仪器研制”，研究发展阵列超声三维透视成像、超声导波多模态成像、电磁超声高温检测、磁声发射早期损伤检测、材料性能微损检测等技术，解决现有技术存在的问题，适应工程检测的发展需求。

2 国内外研究概况

在阵列超声三维透视成像检测研究方面，该技术是工业超声检测领域极具应用前景的前沿技术，通过对相位、频率、波形多参数调控精确产生预定声场，综合应用多种声场解析方法，实现缺陷的三维透视成像。国外研究主要集中在仪器系统、成像方法和仿真软件开发。医学领域进展较快，GE公司和西门子公司已推出了基于声场调控的高档医学超声成像仪器系统，工业领域由于检测的复杂性进展缓慢，且现有三维成像方法大多基于射线声学理论，对于人体组织成像效果好，而对工业复杂结构成像精度低。在超声阵列仪器开发方面国内已有一定基础，但距离国际先进水平，还有很大差距。超声检测仿真软件国外主要有CIVA软件，国内尚无成熟商用软件。

在阵列式超声导波多模态成像检测研究方面，超声导波作为长距大面积快速检测技术在工业管道检测方面已获得了成功的工业应用，英国和中国分别制定了相关检测标准。目前应用中主要的问题是对缺陷的准确识别及定量评价能力差。为解决此问题，国内外学者在相关基础研究如导波模态控制、检测信号处理及成像方法方面开展了大量工作，并将这些技术用于阵列超声导波成像检测中，开发了缺陷在线监测系统，但还需进一步深入研究，开发高分辨率的缺陷成像检测技术。

在电磁超声在线检测研究方面，国外电磁超声技术研究始于上世纪70年代初，目前已研制了电磁超声钢板、钢管、铁轨等自动检测装备，相关专利已达千余项，ASTM也已颁布了三项标准。国内研究水平总体处于“跟跑”阶段，相关专利200余项。在高温检测方面，国外对于该技术的研究主要集中在高温检测方法、高温传感器及设备研制方面，最高适用温度已达720℃，国内目前电磁超声检测仪器设备发展缓慢，已开发出的电磁超声测厚仪适用温度也只到600℃，相关技术亟待突破。

在铁磁性金属材料早期损伤磁声发射检测研究方面，自19世纪70年代首次发现磁声发射现象，磁声发射检测技术已形成比较完善的理论体系，国外用于炮筒、枪筒、飞行器承力主梁等构件的残余应力检测及涡轮机叶片的回火脆性评估。国内在声发射检测研究方面，进展较快，已成功开发了多种检测仪器，并在工程中获得了广泛应用，但在磁声发射检测研究方面，仅开展了用于铁磁性金属构件疲劳和蠕变损伤检测的初步研究，没有形成技术能力，暂无工程化应用。在仪器设备方面，国内外目前均未有成熟的磁声发射检测仪。

在材料性能微损测试研究方面，材料性能的微损测试技术是在工业装备正常服役情况下获取材料参数的重要技术。主要应用于核电、化工、能源等重要设备安全评估。微损测试分取样后测试与非取样测试两类。取样测试技术中，日本采用电火花取样，欧美采用机械式取样，国内暂未掌握机械式取样技术。取样后材料性能测试主要有小冲杆法，国内外已颁布相关测试标准，但小冲杆测试影响因素多，为解决此问题中国特检院提出材料性能微试样液压鼓胀测试方法。非取样测试中，国际已有商业压痕法测试装备，但材料性能解算是基于国外材料数据库，对国内材料测量适应性差，有待国产化开发。

3 项目目标及总体研究方案

3.1 项目目标

项目针对金属材料损伤检测及性能测试中几类迫切解决的问题，重点攻克超声三维透视成像的阵列柔性激励及缺陷三维重构技术、阵列式超声导波多模态融合成像检测技术、电磁超声高温传感及在线非接触快速检测技术、金属材料早期损伤的磁声发射检测及评价方法、超声检测仪器和试块性能测试评价的多指标综合测评方法、材料微损快速取样技术及力学性能的微试样测试方法等关键技术，为金属材料工业设备在制和在役过程的无损检测与材料性能评估提供新型超声检测及微损测试技术手段。

3.2 总体研究方案

本项目根据上述关键技术，设置五个课题，其中：

课题一针对结构中宏观缺陷的准确定性、精确定量检测，研究阵列传感器柔性激励的超声三维透视成像检测技术并研制仪器。开发超声检测仪器、试块性能测试评价平台及检测工艺验证平台，实现对检测装备及工艺的评价；

课题二针对材料开裂、腐蚀减薄等损伤的在线监测，研究压电阵列式超声导波多模态成像技术并研制监测仪器；

课题三针对高温状态下结构宏观缺陷的在线检测，研究电磁超声高温在线无损检测技术并研制仪器；

课题四针对铁磁性材料构件疲劳早期损伤检测，研究磁声发射检测技术并研制仪器；

课题五针对材料性能的微损伤测试与评价，研究液压鼓胀和在线压痕的微损材料性能检测及试验制备技术并研制仪器。

通过以上五个课题的实施，最终为金属材料设备在制和在役过程中的质量控制，提供有效的超声检测及微损测试方法和仪器。

图1为项目总体研究及课题分解方案。可以看出，各课题之间既相互独立，具有特定定位和功能，但又共同支撑金属材料的检测，形成一个完整检测体系。课题1主要解决宏观缺陷的准确定性与精确定量检测的问题；课题2主要解决材料开裂与腐蚀减薄等损伤的在线监测的问题；课题3主要解决高温状态下结构宏观缺陷的在线检测的问题；课题4主要解决构件疲劳早期损伤检测的问题；课题5主要解决材料性能检测微损测试问题。

图1 总体研究及课题分解方案

4 项目预期主要研究成果

项目预期成果包括设备类、平台类、方法类、软件类等多种形式，具体成果如下：

1）设备类成果：通过系统设计、试制样机、开发系统、现场试验、完善系统等过程，完成阵列柔性激励仪、电磁超声检测仪、机械式取样机、液压鼓胀检测仪、磁声发射检测仪、在线压痕试验机、声场观测仪、压电阵列导波监测仪等设备的研发。

2）平台类成果：通过搭建超声检测仪器和试块性能测试评价平台、检测工艺验证平台，实现对超声检测全链条的支持，保证检测设备、试块、工艺的可靠性和正确性。

3）方法类成果：在超声检测系统性能测试评价的多指标综合测评、阵列超声检测工艺设计及验证、面向对象的阵列超声检测、压电阵列多模态导波缺陷定量识别、电磁超声检测、磁声发射检测、基于微损试样的材料评价等方面形成多种方法。上述新方法主要转化为国家特种设备安全技术规范、国家/行业/企业标准若干项。

4）系统软件类成果：配和设备的研发及成果应用，开发三维工件超声声场和回波预测仿真软件，实现工业现场特殊构件检测工艺的快速制定。

5 项目预期的经济社会效益

5.1 本项目科学预期指标及科学价值

通过总结研发过程中的数据、成果，揭示“多频段多模式超声波与金属材料典型损伤的交互作用规律”，提高相关领域科研工作者对检测声学的认知水平，推动检测声学理论、实践的进步；攻克的关键部件和核心技术，将为科学仪器开发、科学研究提供支持。

1）直接科学价值：揭示“多频段多模式超声波与金属材料典型损伤的交互作用规律”，提高检测声学领域的认知水平，扩展及补全其研究范畴，对于推动领域科学进步具有巨大价值。

2）间接科学价值：提出了新的材料性能检测方法，提高了不同条件下的材料测试能力，以上技术方法不仅能应用于工业检测领域，而且能够为其他科学研究提供更为准确有效的检测监测手段，提高科学实验的准确性。开发的高温检测手段，可以突破现有测试能力的限制，使一些设想中的科学实验得以实现，通过实验技术的进步推动相关科学领域的进步。

3）研发过程中产生的科学价值：项目研究涉及声学领域、电磁学领域、材料学领域、普通力学领域，研究过程是多领域交叉碰撞、融合的过程，对于新科学思想的产生、新的领域交叉热点的形成、解决问题的新视角等均有极大的促成作用。

5.2 本项目产业预期指标及经济与社会效益

研制的阵列柔性激励仪器可替代相关领域60%左右的原有检测手段，降低30%以上的检测成本；提高检测可靠性，保证设备安全更为有效，社会、经济效益不可估量。

研制的阵列式超声导波多模态成像检测设备可应用于大型装备的在线实时监测，监控设备的安全状况，降低企业运维成本，避免财产损失和安全事故。

研制的高温电磁超声检测系统及检测方法，可实现高温设备在线不停机超声波检测，焊接生产线超声在线检测，填补超高温检测方面的工程技术空白。

研发的磁声发射检测技术将补充和完善磁声发射产生机制和检测机制；提高磁声发射技术的可靠性和稳定性，促进磁声发射技术在早期损伤评估方面的发展；推进磁声发射技术的工程化应用，填补国内外对铁磁构件磁声发射技术检测早期损伤应用方面的空白。

实现的材料微损测试技术，对于承压设备和镍基合金结构的结构完整性评定以及风险分析等都将起着基础性的重要作用。相关仪器的研发和应用可以大大提高承压设备和镍基合金结构完整性评定和风险评估的可靠性，对提升承压设备安全、促进安全生产具有重要意义。

综上，通过本项目的实施将进一步夯实质量技术基础，有效地提升我国无损检测行业在超声和材料微损伤方面的技术能力，推动行业整体技术进步；研制的仪器设备将打破国外仪器和技术垄断，实现高新技术转化，核心部件具有完全自主知识产权，带动我国高端设备的研发能力；新技术、新方法、新标准的推出将填补国内检测领域多项技术空白，有效提升我国在产品质量控制技术方面的水平。

6 展望

该项目是国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用”（NQI）重点专项的重要组成部分，旨在突破复杂对象和极端条件等检测技术瓶颈，满足要求多样化、早期化的检测监测技术瓶颈，项目预期成果将填补国内检测领域多项技术空白，部分达到国际先进水平。

该项目致力于解决金属材料检测急需的共性关键技术难题，但鉴于经费、时间和人力物力的限制，研究内容并不能完全覆盖金属材料检测的所有技术难题。同时，随着金属制设备向大型化、复杂化、高参数等方向发展，也会不断涌现出新的问题。因此，今后在本项目研究内容的基础上，还希望国内有关机构和专业技术人员开展相应项目的深入研究，也希望国家持续不断的支持金属制设备质量检测与控制方面的技术研究。

[基金支持：本项目由国家重点研发计划

“国家质量基础的共性技术研究与应用（NQI）

（2016YFF0203000）”项目资助]

Research on the New Technologies of Ultrasonic Non-destructive Testing and Micro-destructive Testing for Metal Materials

Zheng Yang Lin Shuqing Zheng Hui Li Sujun
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the main ways of product quality control, non-destructive testing and material performance testing technologies have continuous improved with the development of technology and society. However, current technologies are still unable to meet the practice needs. Therefore China Special Equipment Inspection and Research Institute and other twenty agencies proposed the project “Key Technologies Research and Instrument Development of Ultrasonic Non-destructive Testing and Micro-destructive Testing for Metal Materials”. It was sponsored by National Key R & D Programs "Common Technology research and application of National Quality Infrastructure”. This paper mainly introduces the background, the research goal and summarize, expected results and so on.

Non-destructive testing Ultrasonic testing Electromagnetic acoustic transducer Magnetoacoustic emission Micro-destructive testing

X924

A

1673-257X(2016)11-0001-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.001

郑阳(1984～)，男，博士，高级工程师，从事无损检测与评价技术研究工作。

简介：林树青（1958～），男，院长，从事特种设备安全技术研究及成果应用工作。

2016-11-14）