李　佳　李　軍

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院

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大型結(jié)構(gòu)件無損檢測技術(shù)分析*

李佳李軍

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院

摘要：針對大型結(jié)構(gòu)件使用過程中的損傷與事故等問題，介紹了大型結(jié)構(gòu)件非常規(guī)無損檢測的技術(shù)，以超聲衍射時差法、超聲相控陣檢測、電磁超聲檢測、金屬磁記憶檢測無損檢測方法為例，闡述了其基本原理、特點和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大型結(jié)構(gòu)件； 超聲衍射時差法； 超聲相控陣檢測； 電磁超聲檢測； 金屬磁記憶檢測

1引言

重慶市自然科學(xué)基金重點項目(CSTC2013yykfB0184)

無損檢測技術(shù)是應(yīng)用光、電、磁、聲學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)科知識的一項綜合性的檢測技術(shù)，在復(fù)雜機(jī)械設(shè)備、特種機(jī)械設(shè)備特別是大型結(jié)構(gòu)件中有著廣泛的應(yīng)用。

在大型結(jié)構(gòu)件中，應(yīng)用最多的是金屬材料。由于金屬材料在不同應(yīng)力的作用下可能會產(chǎn)生金屬疲勞，從而產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，尤其在大型結(jié)構(gòu)件中的焊接部位更易斷裂[1]。定期對設(shè)備進(jìn)行檢測，可以判斷其可能出現(xiàn)的問題，有效避免事故的發(fā)生。常規(guī)的無損檢測技術(shù)無法實現(xiàn)構(gòu)件焊縫快速、全面檢測，如磁粉檢測(MT)只能用于表面及近表面檢測，要求被檢測工件具有一定的表面粗糙度，且只能定量分析，難以對缺陷的性質(zhì)和埋藏深度進(jìn)行正確的判斷。滲透檢測(PT)只能用于表面及近表面檢測，不能檢測質(zhì)地疏松材料，且只能檢測開口性缺陷(如表面裂紋)。渦流檢測(ET)只適于導(dǎo)體材料表面及近表面的缺陷的檢測，不適用于輪廓比較復(fù)雜的零件，且其結(jié)果也容易受到試件自身等因子的干擾[2]。

鑒于大型結(jié)構(gòu)件類設(shè)備的特殊性，對金屬結(jié)構(gòu)件的焊縫裂紋、應(yīng)力集中等缺陷采用非常規(guī)性的無損檢測技術(shù)與方法，是解決大型結(jié)構(gòu)件實時檢測與監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2非常規(guī)無損檢測技術(shù)

非常規(guī)無損檢測技術(shù)是基于常規(guī)的無損檢測與其他領(lǐng)域(如醫(yī)學(xué)中CT成像可用于復(fù)合材料)融合發(fā)展而來，主要包括超聲衍射時差法(TOFD)、超聲相控陣檢測方法、電磁超聲檢測方法、金屬磁記憶檢測方法。

2.1超聲衍射時差法(TOFD)

TOFD技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。TOFD檢測不是以缺陷回波幅度作為定量判斷的依據(jù)，而是依靠衍射信號的傳播時間，其基本原理為惠更斯原理。TOFD檢測技術(shù)采用發(fā)射和接收2類探頭來產(chǎn)生非聚焦的縱波。檢測時采用一對或多對寬聲束、寬頻帶、縱波的斜探頭相對于焊縫對稱布置，并設(shè)置好探頭的頻率、選好晶片大小、調(diào)好探頭的間距等。當(dāng)聲束在焊縫中傳播遇到缺陷時，缺陷觸發(fā)反射波，缺陷端角觸發(fā)衍射波，此時另一邊探頭同時接收反射波和衍射波并通過計算機(jī)測量衍射波傳播時間以及利用三角方程來定出缺陷的尺寸、位置，缺陷的檢出與判別不受聲束發(fā)射角度、檢測方向、缺陷表面的粗糙度等因素的影響。該檢測克服了普通超聲波檢測結(jié)果不直觀和不能精確測量、射線檢測工件表面垂直的面狀缺陷和裂紋不能被檢測的弊端，在缺陷檢出率、缺陷深度、長度測量的準(zhǔn)確性上優(yōu)勢突出[3]。當(dāng)其與脈沖回波相結(jié)合進(jìn)行檢測時，還可實現(xiàn)焊縫100%的全覆蓋。此項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、船舶管道焊縫等。

在TOFD技術(shù)應(yīng)用方面，洪作友等應(yīng)用TOFD技術(shù)對電站蝸殼焊縫檢測做了驗證性試驗，在與常規(guī)超聲、射線檢測對比試驗中，TOFD檢測技術(shù)能很好檢測出蝸殼焊縫缺陷等問題，以及缺陷的大小和較詳細(xì)的情況，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于電站機(jī)組蝸殼焊縫的檢測中，且檢測的平面缺陷和缺陷檢出率準(zhǔn)確性較高[3]。李友等人針對船舶大合攏焊縫交叉部位的檢測采用TOFD檢測技術(shù)，在檢測工藝上訂制了專用的TOFD檢測工藝，給出了交叉部位缺陷長度、深度的計算表達(dá)式，并完成了TOFD與射線檢測結(jié)果的對比性分析，分析結(jié)果表明，TOFD檢測技術(shù)對船舶大合攏焊縫的無損檢測具有很好的優(yōu)越性[4]。

但是，由于直通波(LW)、底面反射波(BW)的存在，當(dāng)只采用TOFD檢測近表面時存在盲區(qū)，使該區(qū)域檢測的可靠性較差；對于體積狀缺陷由于聲波的衍射能量不同可能出現(xiàn)一定的漏檢；還存在檢測探頭與被測表面要有較好耦合條件的局限，且參數(shù)設(shè)定對于檢測效果也有一定影響。因此運(yùn)用TOFD檢測技術(shù)對缺陷等進(jìn)行檢測時可將其他檢測技術(shù)作為輔助，使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2.2超聲相控陣檢測方法

超聲相控陣是由超聲探頭晶片組合而成的，是將多個壓電晶片人為地按照一定分布規(guī)律排列，通過控制換能器陣列中超聲探頭發(fā)射或接收脈沖的不同時間，來改變其發(fā)射超聲波到達(dá)被測物體內(nèi)某點(或改變接收超聲波來自被測物體內(nèi)某點)時的相位關(guān)系，從而促使聲束發(fā)射方向的變化和聚焦點的改變，最終實現(xiàn)超聲波成像的技術(shù)。

超聲相控陣探頭探傷主要是利用其聲束角度可控和動態(tài)聚焦2大特點[5]。而其技術(shù)的關(guān)鍵在于對相控陣系統(tǒng)各單元的相位延時的把握。理論分析表明，要實現(xiàn)相位偏轉(zhuǎn)、動態(tài)聚焦、聲束形成等相控效果，必須要控制好各單元的相位延遲，最終提高其檢測精度、分辨率和相控陣的穩(wěn)定。

超聲相控陣技術(shù)典型應(yīng)用有壓力容器檢測、腐蝕檢測、T型焊縫查掃、異種金屬粗晶材料焊縫檢測等，還可用于核工業(yè)與航空工業(yè)等領(lǐng)域。探頭排列類型主要是線性(常用)、二維矩形列和環(huán)形陣列。對于某些特殊的檢測對象或特殊的檢測環(huán)境，有必要采用不同類型的相控陣陣列探頭，比如適用于狹小空間的探傷檢測的小腳印探頭等[6]。實驗表明，將超聲相控陣的脈沖反射法和衍射時差法(TOFD) 相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷的全方位分析(定位、定性、定量)，實現(xiàn)精確的無損探傷[7-8]。

此技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測，具有很高的靈敏度與檢測速度，在分辨率、信噪比、缺陷的檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性[9]。它作為一種高速、精準(zhǔn)的探傷檢測手段，不單單用于焊縫檢測，在鑄件、鍛件等其他構(gòu)件常見缺陷的檢測上同樣適用。

2.3電磁超聲檢測方法

電磁超聲檢測與傳統(tǒng)的壓電超聲相比，雖同屬于超聲范疇，但激勵和接收方式不同。它直接利用電磁耦合(不需要額外的耦合條件)來激發(fā)和接收超聲波。金屬導(dǎo)體在交變磁場中內(nèi)部將產(chǎn)生脈沖渦流，激發(fā)的電流在磁場中受到洛倫磁力的作用；同時，金屬介質(zhì)在應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波(可稱超聲波)，脈沖電流向外輻射一個脈沖磁場，并與外磁場交互作用產(chǎn)生磁致伸縮力，在此力的作用下產(chǎn)生不同的電磁超聲。

電磁超聲檢測裝置主要由高頻線圈、磁鐵、試件本身組成。電磁超聲檢測是非接觸性檢測技術(shù)，不需要耦合劑，可穿透過覆蓋層等，能夠產(chǎn)生表面波、SH/SV波、Lamb波。電信號的頻率可以影響聲束的輻射角，在保持其他條件一定的情況下，可以在同一種換能器的條件下實現(xiàn)波形模式的自由選取，這樣就可以針對性地選取最優(yōu)波形進(jìn)行檢測。

電磁超聲檢測對被測工件表面質(zhì)量要求不高，在列車車輪踏面、鋼軌狀態(tài)、橋梁伸縮縫及鋼板表面缺陷等檢測中應(yīng)用廣泛[9]。同時由于該技術(shù)適應(yīng)高溫探傷而被廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備的檢測中，比如煉油廠管道、電站鍋爐爐管等高溫壓力容器。電磁超聲作為一種非常規(guī)的無損檢測技術(shù)，有換能效率低、信噪比大、分辨率低等缺陷，需要通過外電路對信號進(jìn)行處理[11]，故常將其與傳統(tǒng)的方法結(jié)合應(yīng)用。

2.4金屬磁記憶檢測方法

鋼結(jié)構(gòu)件在運(yùn)動時，在工作載荷與外磁場同時作用，產(chǎn)生疲勞而形成微小裂紋。在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生具有磁彈性效應(yīng)與磁致伸縮性質(zhì)的磁疇定向和不可逆的再次取向。在工作載荷移除后不但不會消失，還與其所受到的最大作用應(yīng)力成一定的相關(guān)性；之后由于其殘余磁性的存在將在表面形成漏磁場，從而在金屬表面產(chǎn)生的磁狀態(tài)存留著微觀缺陷或金屬應(yīng)力集中區(qū)域的位置，即為金屬磁記憶效應(yīng)[12]。

金屬磁記憶無損檢測技術(shù)利用了金屬磁記憶效應(yīng)，能夠?qū)ξ⒂^缺陷、早期失效和損傷等進(jìn)行診斷。金屬磁記憶檢測技術(shù)對于金屬結(jié)構(gòu)焊接接頭而言，其磁化強(qiáng)度沿著焊接熱循環(huán)所造成的殘余應(yīng)力的作用方向是不可逆變化，存在一定的殘余磁化強(qiáng)度[13]。對焊接工件表面固有漏磁場HP分布進(jìn)行測量分析時，移動檢測傳感器，當(dāng)儀表記錄法向分量HP(y)改變符號且為零值時，可確定金屬結(jié)構(gòu)和焊接工件的應(yīng)力集中區(qū)、缺陷和不均勻性等問題[14]。該技術(shù)在壓力管道裂紋及焊接缺陷有所應(yīng)用，在電梯、起重機(jī)械、大型游樂設(shè)施方面應(yīng)用較少。

此檢測受到鐵磁構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力與表面漏磁場之間對應(yīng)關(guān)系的影響，并且受材質(zhì)、殘余應(yīng)力大小、方向和外激勵等因素的影響，其檢測存在一定的容錯率。該檢測技術(shù)能夠?qū)Υ笮徒Y(jié)構(gòu)件、承壓部件等進(jìn)行早期失效診斷分析，并在其他檢測技術(shù)的輔助下，使檢測結(jié)果更準(zhǔn)確。

3結(jié)語

超聲衍射時差法、超聲相控陣檢測、電磁超聲檢測、金屬磁記憶檢測等無損檢測方法具有不同的特點和應(yīng)用場合。這些非常規(guī)檢測技術(shù)在結(jié)合傳統(tǒng)檢測技術(shù)的情況下，可以提高檢出率和檢測準(zhǔn)確性，減少不確定性因子，使動態(tài)全局檢測更加精準(zhǔn)，并能在大型結(jié)構(gòu)件無損探傷檢測中得到廣泛應(yīng)用。

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李佳: 400074，重慶市南岸區(qū)七公里學(xué)府大道66號

Discussion on Nondestructive Testing Technology of Large-scale Structure

School of Mechanical and Automotive Engineering Chong Qing Jiao Tong UniversityLi JiaLi Jun

Abstract：To solve the problem of damages and accidents during the usage of large-scale structure, the unconventional nondestructive testing technology is introduced, and the basic principles, features and applications are discussed, taking TOFD testing, ultrasonic phased array, electromagnetic ultrasonic, MMM testing as instances.

Key words:large-scale structure; TOFD testing; ultrasonic phased array; electromagnetic ultrasonic; MMM testing

*基金項目：

收稿日期：2016-02-23

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.005