无损检测与评估技术.doc

无损检测与评估技术的研究现状及发展黄双根 生物机电学院 1216002摘要：本文主要介绍了无损检测与评估技术的概念、分类、工艺特点和应用领域。本文概述了无损检测与评估技术在国内外的研究现状，提出了无损检测与评估技术存在的问题和不足，最后分析了无损检测与评估技术的发展趋势。关键词：无损检测；评估；探伤；可靠性；可预测性1引言现代无损检测技术（DNT）的定义是: 在不损坏材料/工件的使用性能前提下, 以物理或化学方法为手段, 借助先进的技术和设备器材, 对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试，确定其是否已达到特定的工程技术要求, 是否还可以继续服役的方法, 它是检验产品的质量、保证产品安全、延长产品寿命的必要的可靠技术手段1。无损检测的目地：1、改进制造工艺；2、降低制造成本；3、提高产品的可靠性；4、保证设备的安全运行。随着现代工业的飞速发展，无损检测技术已经逐步从无损探伤（NDI）、无损检测（NDT）向无损评估（NDE）发展。所谓无损评价是指不但要探测结构或焊缝是否存在缺陷，还要对其进行定量评价，包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测和评价，进而对其使用可靠性、使用寿命等作出正确判断，从而促进材料发展、提高生产率、保证质量等各项内容2。无损检测与无损评估（Nondestructive Testing & Evaluation）是基于物理学、材料科学、机械工程、电子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科发展起来的一门综合性工程技术。要达到上述目的, 需要开发适用的灵敏传感器设备、应用信号分析和成像技术, 开发专家系统, 建立NDE检测结构的可预测性等。2工业常用无损检测原理及特点分析2.1射线检测技术原理：射线探伤法是利用射线透过物体时, 会发生吸收和散射这一特性, 通过测量材料中因缺陷存在而影响射线的吸收来探测缺陷的, 有缺陷部位对射线的衰减减弱, 运用胶片的照相原理浏黄穿透工件后射线的强度变化, 从而, 测量出工件内部缺陷大小、数和性质的一种方法。该方法是最基本的、应用最广泛的一种射线检测方法3。常用于探伤的射线有X光和同位素发出的射线，分别称为X光探伤和射线探伤。一般情况下，射线探伤是不易发现裂纹的，或者说，射线探伤对裂纹是不敏感的。因此，射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感。即射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤4。2.2超声波检测技术原理：超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷, 所谓超声波是指超过人耳听觉、频率大于20kHz 的声音。目前用的最多的探伤方法是脉冲反射法。脉冲反射法在探伤时用纵波或者横波把超声波射入被检物的一面, 然后在同一面接收从缺陷处反射回来的回波, 根据回波情况判断缺陷的情况3。通常用超声波探头与待探工件表面良好的接触，探头则可有效地向工件发射超声波，并能接收(缺陷)界面反射来的超声波，同时转换成电信号，再传输给仪器进行处理。根据超声波在介质中传播的速度(常称声速)和传播的时间，就可知道缺陷的位置。当缺陷越大，反射面则越大，其反射的能量也就越大，故可根据反射能量的大小来查知各缺陷(当量)的大小。常用的探伤波形有纵波、横波、表面波等。前者适用于探测内部缺陷；后者适宜于探测表面缺陷，但对表面的条件要求高，不平或粗糙的表面会影响耦合和扫查, 从而影响检测精度和可靠性。2.3磁粉检测技术原理：铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度，磁力线增大几百倍到几千倍, 如果材料中存在不连续性缺陷, 磁力线会发生畸变，由于缺陷中空气介质的磁导率远远低于试件的磁导率，使磁力线受阻，一部分磁力线挤到缺陷的底部，一部分穿过裂纹，一部分排挤出工件的表面再进入工件3。如果这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积。我们称之为磁痕，从而显示缺陷。磁粉是一种磁性强的徽细铁粉，通常有黑色的、株色的勺和灰白色的纯铁三种。操作简单，检查迅速, 灵教度高，适用于徽性工件表面及近表面缺陷的检。探伤前应除去表面的油漆、涂抖及铁锈, 以免防碍磁粉的附看5。2.4渗透检测技术原理：渗透检测技术又称着色检测技术，是利用毛细现象来进行探伤的方法。对于表面光滑而清洁的零部件，用一种带色(常为红色)或带有荧光的、渗透性很强的液体，涂覆于待探零部件的表面。若表面有肉眼不能直接察知的微裂纹，由于该液体的渗透性很强，它将沿着裂纹渗透到其根部。然后将表面的渗透液洗去，再涂上对比度较大的显示液(常为白色)。放置片刻后，由于裂纹很窄，毛细现象作用显著，原渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在白色的衬底上显出较粗的红线，从而显示出裂纹露于表面的形状4。2.5涡流检测技术原理：在通有交流电i1的线圈周围有一交变磁场H1。如果被测导体位于该线圈之内，则导体表层因电磁感应就产生电涡流i2，电涡流又产生一个与磁场H1方向相反的次生磁场H2。由于磁场H2的反作用使通电线圈的有效阻抗发生变化，这种线圈阻抗的变化完整而且唯一地反映了待测物体的涡流效应。电涡流式传感器可以用来检查金属表面裂纹及伤痕。检测时使传感器与被测体相对移动并保持距离不变，如有裂纹出现，将引起金属电阻率、磁导率的变化，在裂纹处也会有位移值的变化，这些综合参数的变化将引起传感器参数的变化，从而通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的6。一般用于表面及近表面缺陷的检，检浏前应清除表面附若物5。3国内外无损检测与评估技术的发展现状3.1国内无损检测与评估技术的发展现状国内在无损检测与评估领域的发展，一部分是研究者在已有的方法上优化得出的，还有一部分是随着新技术的提出，国内研究人员经过大量试验论证之后用于生产实践的。在已有技术基础之上，康楠等人7提出一种能够自行走的机械车,携带对行走状态实时做出反应的传感器，同时搭载研发出的一种基于FPGA和单片机的高速度数据采集卡进行超声探伤，在保证了检测效率和精度的同时，降低了检测成本和人员的时间。曹冰8基于自适应形态学的无损探伤件裂纹和缺陷识别与可视化系统开发出具有自主知识产权的软件平台，使用户可以更加方便的观察和分析缺陷，同时提供确定工件报废所需要的参数，使用户可以方便地判断工件是否报废。南钢为了保证出厂钢板的质量、提高生产节奏、减少维护量和水耗等, 中厚板在线无损检测将向空气耦合电磁探伤、缺陷的三维定量观测、定量与定性分析相结合的缺陷判定方向发展9。丁喜峰10在采用适当的低频探测频率、加大仪器发射功率的基础之上，采用双斜探头法（TR探头），经过大量试验证明利用超声波采用双斜探头法对奥氏体铸钢进行无损检查, 简便易行, 结果可靠, 是一种无损探伤的有效方法。何世彪等人11基于虚拟式超声波无损探伤设备，设计与实现了该仪器设备的前端电路，主要包括：用于激励超声波探头的脉冲发射电路，高增益的超声波接收电路，以及隔离、滤波等相关的信号调理电路。实验结果表明,这些电路性能稳定可靠,使用效果良好。鉴于传统涡流探头会产生很大的噪声，俞丽容等人12用一种几乎无噪声的新型均匀涡流探头对焊接区域进行无损探伤的研究，实验结果表明该探头用于焊接区域的涡流探伤的发展前景看好。对于一些近年来随着高新技术的发展，从而带动起来的在无损检测领域出现的新技术，国内的研究人员也做了大量的研究，并将之用于生产实践。脉冲涡流检测技术是近年来由国外引进的新技术。CSEI作为我国唯一的国家级承压设备无损检测技术研究机构，与华中科技大学通过共同承担国家“十一五”科技攻关项目，已成功开发脉冲涡流检测系统样机，而且CSEI已牵头制定了带保温层钢腐蚀脉冲涡流检测方法标准草案13。王强14利用漏磁通对钢丝绳进行无损探伤，根据理论计算、大量试验数据的统计和各种不同现场使用的标样数据筛选，取得最小离散率的实时处理模型。基于这一模型，对受测钢丝绳中缺陷处数字信号进行反演计算，从而获得钢丝绳中缺陷的准确数值。华中科技大学、清华大学、爱德森公司和大庆石油学院近来也先后开发了大型常压储罐底板漏磁扫描检测仪器，在检测现场得到成功应用13。磁记忆检测方法是通过测量构件磁化状态来推断其应力集中区的一种无损检测方法15，于20世纪末由俄罗斯引入我国，清华大学、南昌航空大学和北京工业大学等开展了这方面的研究工作，厦门爱德森公司也于2000年开发出面向市场的磁记忆检测仪器，随后，清华大学和CSEI也先后开发出磁记忆检测仪器。声发射检测是通过探测受力时材料内部发出的应力波判断容器内部结构损伤程度的一种新的无损探伤方法16。王祥岗等人17对高低温容器声发射检测实践，提出了几种实用的声波传导方法，其传导效果经测试证明，能够满足用常温传感器检测高低温容器的目的。超声相控阵成像检测技术是多声束扫描成像技术16。在国外已成功应用于各种焊缝检测，国内，清华大学和哈尔滨工业大学等单位对该技术进行了深入的研究，取得了一定成果。同时，超声信号处理是无损评估体系的重要环节，是推动超声无损评估体系快速前行的动力。针对超声检测信号的特殊性，国内的科研工作者做了大量实验研究，例如，通过提取超声检测信号的特征，利用人工神经网络识别焊缝内部缺陷类型。刘杰18将红外热波检测技术运用与实例中，并取得了不错的效果。张炜等人19利用仿真的方法，对带有缺陷的材料的热传导过程进行模拟。通过观察分析和计算结果，认为在假设条件下，加热对象任意点上升的温度与加热强度的比值为一常数；在持续加热一段时间后（时间与加热强度无关）加热对象内任意一点温度上升的速度为相等的常数。这对红外热波无损探伤的定量检测和评估、加热强度的确定、加热参数的优化等莫定了理论基础。李德昌等人20通过对激光照射圆柱形压力容器产生的变形条纹进行理论分析，讨论了圆柱形容器在加载前后两次曝光中干涉条纹形成的基本规律；对有缺陷的压力容器进行了激光全息试验，分析了有缺陷容器畸变条纹所对应的位移场。试验结果表明，激光全息照相技术对压力容器进行无损探伤具有重要的应用价值。张尊泉等人21在微波频段, 利用同轴线探头对金属表面裂痕进行探测, 并通过一些试验数据显示该方法设备结构简单，探测精度高，使用方便，裂缝信号特征明显，并且有较大的潜力，是无损探伤领域中的一种较好的新方法。3.2国际上无损检测与评估技术的最新进展在无损检测方面，最近国外研究人员在固体材料中发现一个新的物理现象“slow dynamics”现象22。随后，美国专利库公布了这个成果的最新发展。专利人Hedberg声称：利用他的发明可以在飞机、飞船、汽车结构部件生产线上进行生产质量保证监控以及结构部件内部材料损伤试验23。加拿大航空器研究部门采用中子射线和射线技术检测CF-18飞机操纵面内部积水24。德国不来梅应用波束技术研究所对铝蜂窝复合材料缺陷进行X射线成像，清晰显示蜂窝的贯穿型损伤缺陷。美国密苏里大学罗拉分校和空军研究实验室合作，对飞机蜂窝复合材料进行了X射线CT检测，发现玻璃纤维复合材料蒙皮与蜂窝芯界面存在多处亚表面缺陷。捷克航空试验研究所用Dantec Ettemeyer Q-800型便携式激光剪切散斑成像系统, 对夹层结构全复合材料机翼（碳纤维复合材料蒙皮-蜂窝结构）进行健康监控和冲击缺陷检测。德国研究人员采用可移动剪切散斑成像技术成功检测机翼和机身整体结构件的蒙皮损伤、分层、析条脱粘等缺陷，但成像技术远不如射线图像。英国克兰菲尔德大学与新加坡南洋理工大学合作开发基于光纤振动传感器的智能系统,监控结构损伤, 进行了理论分析和实验测试。加拿大研究人员开发了一种基于核磁共振理论的磁共振法, 检测蜂窝夹层复合材料板积水。美国海军开发了一种用于大面积复合材料结构件的快速无损检测技术结构异常和损伤评价程序（SIDER)。在无损评估技术方面，美国西北大学质量工程和失效防止中心的J.D Achebuch教授在介绍科学和技术一书中这样定义定量无损评估法是利用无损检测技术评估服役中的材料或结构可靠性, 得到其强度信息的一种较好的方法, 它是一门多学科技术, 包括确定材料性能、探测裂纹和其他失效形式的无损检测技术、仪器设备的设计方法、数据处理技术、测量模式的应用和确定一个系统或结构是否报废或修理的数据解释技术等。在先进复合材料的生产和设计中, 要得到这些特殊的性能, 必须经过特定的处理过程，采用现有的方法，无法达到预定的性能要求, 而采用应用NDE的材料的智能处理（IPM）技术, 则可以很圆满地解决这个问题。应用的人工智能技术是指把经验和数据有效利用的一种技术手段, 应用的专家系统和人工神经网络技术是人工智能的两种应用形式。专家系统是利用逻辑推断, 模仿人类专家的思维建立的25。 同时，还有一些基于传统技术改进得到的新技术。超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术。非接触超声检测技术方面，主要有激光超声检测，电磁超声检测和空气耦合超声检测。数字化X射线检测技术方面有两类，数字化透视和数字化照相。涡流阵列检测技术等26。4无损检测与评估技术的不足和发展趋势4.1无损检测与评估技术的不足目前的无损检测存在着，检测技术越做越好，但无损评定与评价方面，还存在着相当的不足，正确地做好缺陷等级评定工作不仅能保证产品质量，而且能保证产品的安全经济运行。但目前缺陷等级评定情况去不尽人意，存在着这样那样的问题，例如，在焊接工艺中缺陷的名称与无损探伤中缺陷也没有统一。焊接技术评定标准的规范不统一，标准的人为因素，缺陷等级评定只注重大小、长度，不注重自身高度和深度27。焊接探伤标准重工艺、轻评定的倾向十分严重，同时，在焊接探伤执行中忽视经济效益28。无损探伤与评估技术是一个多领域多层次的综合性技术，每种技术都有其特定的应用范围和优缺点, 单一方法难以实现对所有类型缺陷的检测。同时，无损检测技术的成本、效率、质量、安全性和通用性之间往往存在矛盾。从手工操作到自动化扫描, 从实验室检测到外场原位检测, 既要考虑用户的成本可接收性, 又要考虑检测仪器的轻便可使用性, 以及对缺陷的精确定性、定位、定量和直观成像24。在现有条件下，所有条件都兼顾还难以达到，这是一个须要不断完善的过程。上文提到的要满足DNE技术在预测工件的使用寿命、检测新材料和新结构的性能、促进材料发展、提高生产率、保证质量等各项内容。而从DNT发展到DNE阶段，在它的定义中增加了三项重要内容定量无损评估的概念, 评定在材料或工件中缺陷危险性的概念, 预测由于缺陷存在所形成的剩余寿命的概念。这些都需要时间在实践中不断补充和完善，不是一个一蹴而就的过程。4.2无损检测与评估技术的发展趋势无损检测本来是就是以在不损害材料本身为前提而提出的，低成本、高效率和高可靠性是材料无损检测技术发展的基本要求。而从DNT到DNE的发展，材料无损检测技术已经在从地面离位或原位检测向实时健康监控方向发展, 预测潜在缺陷和诊断早期故障, 采取有效措施保证材料结构完整性和安全性。同时，随着时间的推进，处理和生产的材料的种类将会增加, 应用的过程类型也会增加, 需要监测的过程参数也将会增加。这需要先进的传感器技术、数字信号处理技术、电子技术和计算机技术, 以及基于这些技术的智能化无损评价系统。对于无损检测和评估这种大型综合性的技术，便携式无损检测仪器设备袖珍化，检测结果显示的数字图像化，检测工艺设计、检测结果评定的智能化，自动化无损检测的大型化、系统化，是现代无损检测技术发展的共同特点。同时，一种检测方法是片面的，不能完整的说明缺陷的所有问题，新无损检测技术的和适应新领域的检测设备不断投入无损检测与评估应用当中是相当正确的，也是卓有成效的，而多种方法相结合亦是大势所趋。5结束语1830年已经有利用机械装置人工产生超声波的实验（达到24000Hz）；1868年英国应用漏磁通探测枪管上的不连续性；1900年法国海关首次应用X 射线检查物品。可见，无损检测并不是一门新的学科，而无损评价的加入，只是在无损检测不断完善过程中的一个发展阶段，并不是终点。我们研究人员要做的就是不断的丰富无损检测的理论与技术，将最新的技术综合起来有效的应用于材料的生产、安装、使用、保养的每一个过程中，高效、低成本、自动化、智能化、直观成像化的完成这个过程。参考文献：1余南廷, 陈积悬编著.复合材料无损检测与评定M.中国航空学会,19972赵秋艳.国外先进无损检测技术的发展及应用J.宇航材料工艺,1998(4):48-523魏国亮,赵振宇,徐胜航,于洋.工业常用无损探伤原理及特点分析J.机械工程师,2008(3):152-1534尹贤友.无损探伤技术及其应用J.科技信息, 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