材料损伤电磁无损检测与评估新技术研究

陈金忠 沈功田 郑 阳 俞 跃 武新军 陈振茂

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.华中科技大学 武汉 430074）

（3.西安交通大学 西安 710049）

为适应国家现代化可持续经济型社会发展的需求，当前的工业设备向着极端化、精密化、轻量化等方向不断发展。与此同时，设备结构形式和损伤模式也逐渐多样化，给产品、设备的检测评估提出了新的技术要求。目前数量众多的在用工业设备服役期间安全评定中需要全面的检测数据进行支撑，提升材料损伤状态的无损检测与评估技术水平已成为保障工业设备长期稳定运行的瓶颈。电磁无损检测技术具有快速、非接触等优势，不仅可以应用于常规导电金属材料的损伤检测，对于特殊工业环境下的产品、装备检测也具有特殊的优势，例如带有包覆层的非铁磁性工业设备、双金属复合材料等。红外和太赫兹检测技术同样具有非接触、直观、安全等优势，广泛应用于非金属材料损伤检测，成为现有电磁检测技术的有效补充[1]。就电磁无损检测技术以及红外与太赫兹检测技术而言，针对技术发展及工程检测中的需求，主要存在以下问题：

目前在脉冲涡流检测理论和方法相对成熟，但基于该技术理论下的带包覆层非铁磁性工业设备的检测技术研究有待开展。针对脉冲涡流频带宽、衰减快、动态范围大的特点，高精度、高速度数据采集等难题仍需攻克。

微磁信号在非均匀磁导率和存在应力集中材料中的特征识别和提取技术有待深入研究。基于微磁检测技术的非铁磁性材料腐蚀检测、评价和分级方法理论也亟须补充。

随着工业设备的复杂化、极端化，损伤形式同样向着多样化和不可预测化方向发展。因此，对于磁畴结构在磁、热、应力、疲劳等多物理和材料变化下，铁磁性材料应力和疲劳状态的评价技术以及对于磁畴动态行为的影响规律仍有待研究。

单一检测技术针对不同材料损伤各自具有一定的局限性，发展多种技术结合的损伤表征方法是无损检测的发展趋势。

对于红外热成像检测技术，仍存在大功率面激励光源、大电流调制、激励非均匀矫正等技术难点。在太赫兹检测方面，存在高频太赫兹波的大功率输出不稳定问题，检测分辨率也需进一步提高。

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“材料损伤电磁无损检测与评估关键技术研究及仪器研制”，研究发展非铁磁性材料脉冲涡流和微磁检测技术、铁磁性材料损伤多磁参数检测技术、金属材料电磁检测技术、非金属材料红外与太赫兹检测技术，解决现有技术存在的问题，适应工程检测的发展需求。

1 国内外研究概况

非铁磁性金属材料检测方面：美国GE、英国QinetiQ等的脉冲涡流检测仪器主要用于核电和航空行业非铁磁金属材料检测；荷兰RTD和加拿大Eddyfi的脉冲涡流检测仪主要用于带包覆层铁磁性工业设备检测，本项目团队已研发脉冲涡流检测仪，开展了工程应用，主导编制了国际和国家标准。脉冲涡流在非铁磁性与铁磁性材料的传播特性不同，检测带包覆层铁磁性或小提离非铁磁性设备的技术不能直接用于带包覆层大提离非铁磁性工业设备检测[2]。

铁磁性金属材料检测方面：材料磁特性参数检测技术发展迅速。国外芬兰Stresstech开发了用于齿轮、曲轴加工中残余应力检测的磁巴克豪森检测仪器，德国IZFP开发了用于汽车、核电设施等材料屈服点、硬度、渗碳层深度检测的多磁参数检测仪器。然而在应力分布、疲劳状态等复杂损伤检测方面，现有技术尚需进一步发展。国内在此方面研究较少，无成熟仪器，也缺乏相关标准[3]。

金属材料电磁无损检测数值模拟方面：电磁无损检测已有法国CEA开发的CIVA无损检测数值模拟软件及一些专用数值模拟程序。但CIVA仅有二维涡流检测数值模拟功能，现有专用数值模拟程序缺乏集成和前后处理功能；另外，基于高效正问题数值模拟、反问题缺陷定量反演的研究取得了长足进展。开发具有自主知识产权、反映国际最新研究成果的正反问题一体化电磁无损检测数值模拟软件，对指导检测探头和仪器研制、检测工艺开发及缺陷定量反演具有重要意义。

非金属材料检测方面：已有闪光灯、激光、振动等激励的红外热成像检测仪器，尚未在工业设备中广泛应用，尤其是对大壁厚低导热材料的反射式检测很难实现，且在大功率非瞬态面加热源的激励均匀化、检测结果归一化和损伤评估方面仍面临挑战；同时缺乏红外无损检测的专用仪器标准。太赫兹成像检测目前广泛应用于安检、生物检测等领域，但针对工业设备无损检测缺少典型材料太赫兹波响应数据库，德国SynView的检测设备存在检测速度慢、便携化程度不高等问题，尚缺乏针对工业设备成熟的太赫兹无损检测仪器。

2 项目目标及总体研究方案

2.1 项目目标

项目针对材料损伤电磁无损检测中几类迫切需要解决的问题，重点攻克非铁磁性金属材料损伤电磁检测信号获取技术、铁磁性金属材料应力与疲劳评估多种磁信号特征参数融合分析技术、典型电磁无损检测方法正反问题一体化数值模拟技术、非金属材料损伤红外大功率均匀激励技术与太赫兹反演等关键技术，开展材料损伤电磁无损检测与评估关键技术研究及仪器研制，实现材料宏微观缺陷和服役状态的快速检测与评估，进一步完善电磁无损检测技术对工业设备的质量控制要求。

2.2 总体研究方案

本项目根据上述关键技术，设置四个课题：

课题一：针对非铁磁性材料损伤，基于脉冲涡流与微磁检测关键技术，从检测机理、检测信号获取、检测工艺开发等方面开展深入研究。研制开发适应不同信号特性的脉冲涡流检测仪和微磁检测仪。

课题二：针对铁磁性材料损伤多磁参数检测关键技术，从铁磁性材料应力和疲劳检测机理以及检测工艺方面开展研究，分别研制磁巴克豪森应力检测仪、多磁参数检测仪并进行仪器性能测试与评价。

课题三：针对金属材料电磁检测及仿真关键技术，开发电磁无损检测仿真软件。针对金属体积缺陷低频电磁检测关键技术及仪器研制问题，研制高灵敏度低频电磁阵列传感器，开发低频电磁阵列三维成像及缺陷重构方法。针对金属材料磨损电磁检测方面，设计和制作电磁感应型高可靠性油液磨屑在线监测传感检测系统；搭建重大机械装备电磁无损检测评估技术平台。

课题四：针对非金属材料红外与太赫兹检测关键技术，分别从非金属材料粘接质量红外检测定量评估方面、非金属材料大功率长时激励的红外热成像检测系统研制方面、非金属材料基于半导体激光器和光学混频技术的便携太赫兹成像检测系统研制方面、非金属材料无损检测用红外热像仪设备和太赫兹检测仪标定方面进行了研究。

通过以上四个课题的实施，最终为材料损伤检测提供有效的电磁、红外以及太赫兹检测方法和仪器。

图1 项目课题的设置及逻辑关系

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，但又共同支撑材料损伤的检测，形成一个完整的体系。

3 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，完成脉冲涡流检测仪、微磁检测仪、磁巴克豪森应力检测仪、多磁参数检测仪、低频电磁检测仪、电磁感应型高可靠性油液磨屑在线监测传感检测系统、红外热成像检测系统、便携太赫兹成像检测系统等设备的研发。

2）平台类成果：通过搭建重大机械装备电磁无损检测评估技术平台，开展装备基于电磁磨损检测的无损检测与评估云服务技术平台理论、技术和应用研究。

3）方法类成果：在大提离下非铁磁材料脉冲涡流检测信号增强方法、微弱信号识别方法、铁磁性材料应力与疲劳状态检测方法、低频电磁阵列三维成像及缺陷重构方法、金属构件缺陷形貌低频电磁表征方法、粘接强度红外热成像检测定量评估方法、基于半导体激光技术和光学混频技术的便携太赫兹成像检测、太赫兹检测仪关键参数的计量等方面形成多种方法。

4）系统软件类成果：为配合设备的研发及成果应用，开发磁巴克豪森应力测量软件、多磁参数疲劳检测仪软件、典型电磁无损检测方法数值模拟软件、油液金属磨屑在线监测及集成数据管理分析软件，实现工业现场特殊环境检测、监测工艺的快速制定。

4 项目预期的经济社会效益

4.1 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，揭示非铁磁性材料损伤脉冲涡流与微磁检测机理，明确铁磁性材料应力与疲劳损伤磁参数表征方法，探明金属材料电磁无损检测漏磁与涡流相互作用机理和非金属材料损伤红外与太赫兹检测机理，建立电磁无损检测正反问题一体化数值模拟方法，对发展电磁无损检测理论，推进我国电磁无损检测仪器水平具有重要科学价值。

1）直接科学价值：解决非铁磁性材料损伤电磁检测信号获取，铁磁性材料应力与疲劳多参数评估，金属材料体积缺陷与磨损检测及非金属材料损伤红外的大功率均匀激励与太赫兹反演等关键技术。提高材料损伤检测领域的认知水平，扩展及补全其研究范畴，推动该领域科学进步具有巨大价值。

2）间接科学价值：提出理论研究及新的检测方法，其方法不仅可以应用于材料损伤检测，也能够为其他领域学科的相关研究提供借鉴。

4.2 本项目产业预期指标及经济与社会效益

在非铁磁性材料脉冲涡流与微磁检测、铁磁性材料损伤多参数检测、金属体缺陷低频电磁检测和非金属材料红外与太赫兹检测等方面，预期提交检测仪器样机8台套。

电磁检测仿真软件具备仿真涡流、脉冲涡流、漏磁和低频电磁检测功能，能求解线性和非线性电磁问题。

研制带包覆层非铁磁金属构件脉冲涡流检测仪和奥氏体不锈钢材质劣化的微磁检测仪，实现高低温工业设备（如低温LNG设备）不拆包覆层在线检测，及时消除安全隐患，减少高低温设备事故发生及降低维护成本。

研制铁磁性材料疲劳状态多磁参数和磁巴克豪森应力检测仪，实现铁磁性材料早期损伤检测与评估，提高铁磁性工业设备构建的完整性、延长其使用寿命，减少突发性疲劳或应力失效事故的发生。

开发典型电磁无损检测信号集成数值模拟和缺陷定量评估软件，集成国际电磁无损检测理论和技术最新研究成果的电磁无损检测软件，用于指导电磁无损检测探头和仪器开发以及缺陷反演定量，支撑我国电磁无损检测整体研究与技术实力的提升。

研制低导热率大壁厚材料的主动式红外热成像和便携太赫兹检测仪，提出太赫兹检测仪关键参数的计量方法，搭建无损检测用红外热像仪设备标准研究及关键参数测试平台，推动非金属材料红外热成像和太赫兹检测领域的发展，制定无损检测红外热成像设备性能测试ISO国际标准，奠定我国在该领域的国际主导地位与影响力，促进我国电磁无损检测仪器走向国际市场。

综上所述，通过本项目研究，为我国检测服务行业提供先进仪器与技术标准，提高我国检验检测机构的核心竞争力；开发的检测仪器既打破国外垄断又具有国际市场竞争优势，提高我国电磁无损检测仪器开发水平；为我国石油、化工、电力等领域工业设备的安全运行、降低运营与维护成本，提高设备效益和安全性，减少泄漏或爆炸事故发生提供保障，促进安全检测科学技术进步具有重要价值，相关研究成果还可应用于国防装备、大型桥梁和钢结构的检验检测，预期社会、经济、生态效益巨大。

5 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，旨在适应当前工业设备向极端化、轻量化、复杂化方向发展的趋势，突破极端条件下检测技术的瓶颈。项目成果转化后将极大推动电磁检测领域的发展，部分技术达到世界先进水平。该项目致力于解决金属材料、非金属材料检测的关键技术难题，但鉴于经济成本、时间成本、人力成本的限制，无法攻克所有材料检测的技术难题，仅针对几种典型材料进行研究。同时，随着工作化进程的不断发展，设备多样化、智能化趋势明显，新问题也会随之出现。因此，望日后在本课题研究基础上，国内的相关机构和专业人员继续深入开展该领域科学研究，同时希望国家持之以恒的资助材料损伤电磁无损检测方面的技术研究。

[1] 沈功田，胡斌.大型承压设备不停机电磁无损检测技术及应用[J].中国特种设备安全，2016，32(01)：6-12.

[2] 武新军，张卿，沈功田.脉冲涡流无损检测技术综述[J].仪器仪表学报，2016，37(08)：1698-1712.

[3] 沈功田，郑阳，蒋政培，等.磁巴克豪森噪声技术的发展现状[J].无损检测，2016，38(07)：66-74.