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几种新的无损检测方法及应用实例农金龙(广西特种设备监督检验院，广西 南宁 530219)【摘 要】介绍几种目前国内外较新的无损检测方法,从原理、特点及其应用范围等方面阐述其在各自领域上的优势和前景，对西部地区工程项目建设中涉及到无损检测的单位和人员有较为实在的指导意义。【关键词】磁记忆；低频漏磁；远场涡流；微波；声发射【中图分类号】TG115.28【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2011)05-0127-03铁路、桥梁及其它特种设备的安全直接影响到国家的经济运行和人民的生命财产的安全，通过无损探伤检测，可对 上述设备进行质量评价、运行安全和寿命评估，预防事故发 生，具有重大的社会效益和经济效益。目前，常用的、国家有明确的相关法规标准的无损检测方法有磁粉、渗透、超声波、射线、涡流、声发射等检测方法。无损检测技术是以不损害被检验对象的使用性能为前 提，应用多种物理原理和化学现象，借以评价它们的完整性、 连续性、安全可靠性及某些物理性能的技术。常用的无损检测方法由于检测到的是已经存在的缺陷， 不能预判未出现的缺陷。解决不了设备突发性破坏情况；对 被检对象表面，需要进行去除护层、打磨等预处理，劳动强 度大；效率低，成本高；另外。所检对象形状、结构和检测 技术人员水平等因素影响检测结果；容易发生漏检；一般要 求被检测对象停止工作。检测时有的工作条件恶劣而不能进 行常规的无损检测，极易引发宏观缺陷，发生断裂或爆炸， 引发事故。因此，介绍、引进和开发新的无损检测方法，在 新的形势下，对大型、高参数、高要求的铁路、桥梁及其它 特种设备的安全检测，有着十分重要的实际意义。本文结合国内和本地运用的实际，介绍几种新的、经实 践证明可行有效的几种无损检测方法的原理、特点、运用范 围和实例，为广大使用单位和管理者、应用者提供参考和帮助。（一）磁记忆检测1.原理：伸、挤压、扭曲和周期性变化负载等作用时及地球磁场的同时作用下，应力集中区域的磁导率变小，工件表面的磁场加 强，变强后的磁场记录了工件的缺陷或应力集中的位置，这 就是所谓的“磁记忆”效应，如图 2 所示。它可以常规的拉伸试验来验证，即把钢制拉伸试件装在拉力试验机上，测量试件表面沿轴线漏磁场 Hp (y)的分布。图 2 磁记忆检测原理图 图 3 工作拉伸试验图 图 4 应力对磁滞回线的影响如图 3(a)所示，其中 Hp(y)=0 处为应力集中线，然后对 试样加上和应力集中线垂直的；力 P 再做拉力试验。从图 3(b) 可见，试样 的 断裂的地方 正 好出现在应 力 集中线处 Hp (y)=0。实践中，直接测量工作表面沿轴线漏磁场 Hp(y)的分 布就是缺陷所在的位置。2.特点（1）能准确定位被检测对象中应力和变形集中区。（2）不用对被检测对象表面进行去除护层、打磨等预处 理，降低了成本，降低劳动强度。（3）结果可靠，检测信号明显，准确性强。（4）早期诊断和评价设备的安全性。（5）无需停止要检设备的运行。（6）快速检测(100 mh)和过程自动化，效率高，不容 易漏检。（7）不用专门的磁化装置，检测设备的体积小。重量轻、 成本低。（8）快速定位应力集中点(线)。（9）与被检设备不用接触，特别适合现场使用。（10）使用的仪器尺寸小，携带方便，有自备电源和记 录装置，能与电脑和打印机连接，基本不受设备结构和现场 环境影响，便于野外使用。3.应用的范围和实例 金属磁记忆检测方法作为一种新型的早期诊断方法，正以其独特的优势在石油储罐、压力管道、锅炉、汽轮机等行 业发挥着作用；并开始应用于石油天然气长输管道的监测中，图 1 磁记忆检测系统图用铁来制作工件在地球磁场中的运行时，当工件受到拉【收稿日期】2011-02-22【作者简介】农金龙（1973），男（壮族），广西特种设备监督检验院工程师，从事特种设备检测研究。- 127 -磁铁 目前，该方法可以评定设备和结构的寿命；确定工件上微小裂纹在萌生初期至扩展阶段的过程中，裂纹周围的磁场分布 情况和应力之间的关系；按组织结构的不均匀性快速分选新 的和使用过的机械制件；确定应力集中区金属取样的部位以 及评价其结构。实例：1）电力行业的部件检测中，如汽包、汽水管座角 焊缝的检测；2）汽轮机叶片叶身的检测；3）对大型油罐和 石化管道的检测。4.前景及不足当前，金属磁记忆检测技术是一种新兴的无损检测技术， 还不够完善，国产的磁记忆检测仪器功能比较单一，国际上 也还没有形成部件磁记忆检测法及评判应力集中的统一标 准，一般还是将其作为其他常规无损检测方法的辅助手段，配合使用。另外，使用该方法在某些整体应力状态较差的设 备部件上检测时，相对于常规检测方法，信号响应过于灵敏， 有时甚至会造成检测难以进行的情况。（二）低频漏磁检测1.原理 如下图，用磁化器去磁化被测铁磁材料时，如果材料的材质是均匀无缺陷的，则材料中的磁感应线将被限定在材料 中，磁通是与材料表面的平行，差不多没有磁感应线从材料表面穿出，检查表面时没有磁场。若材料中存在着与磁力线 成一定角度的缺陷时，材料表面的缺陷或内部组织状态变化会使磁导率大小改变，当缺陷的磁导率很小，磁阻很大时，磁路中间的磁通会产生畸变，磁感应线会改变连接的途径， 除开部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外，另有 磁通会离开材料表面，穿过空气后，绕过缺陷，再次进入材 料，在材料表面缺陷处形成漏磁场。通常将磁粉检测漏磁通的方法称为传统的磁粉检测法，而将采用磁敏传感器检测则 称为漏磁检测法。的检测。4.前景和不足 不足：（1）与被检测对象的表面有一定的距离，会产生一定的数据提离，降低了检测灵敏度；（2）传感器不适合检 测形状复杂的试件。对于形状复杂的工件，需要特制与其形状匹配的检测器件；（3）有关灵敏度、对危险性缺陷的检出率等，尚需进行大量的试验验证。 前景：随着磁检测传感技术、励磁技术以及信号处理技术的进步，漏磁检测灵敏度将会大大提高，对缺陷的宽度和深度定量检测精度也会大大提高。这种检测方法将会大大降 低工作劳动强度，提高检测过程的自动化，得到广泛的应用。（三）远场涡流检测1.原理 如下图，远场涡流法是低频涡流检测技术，运用内穿过式探头，由1个激励的线圈和1个测量的线圈组成，在激励线圈上通低频交流电，能量流2次穿过管壁并沿管壁传播，测量 用的线圈能测得到来自激励线圈的穿过管壁后返回管内的磁 场，能以相同的灵敏度检测到管子内外壁的缺陷及壁薄厚， 而不受到趋肤深度的限制。图 6 远场涡流检测探头2.特点（1）可以直接用电信号输出检测结果，适宜进行自动化 检测。（2）检测的速度非常快。（3）适用范围特别广泛，除了检测缺陷以外，又能检测 材质变化，尺寸形状的变化等。（4）特别适用管材、线材的检测。（5）用于碳钢或其他强铁磁性管子的蚀坑、裂纹等缺陷 的检测时效果明显。（6）安全、防护容易，对人体造成伤害不大。（7）远场涡流检测是一种提前预测的检测方法，可以预 先发现问题，并提前采取预防措施。（8）不去动管柱即可施行检测，大量作业时减少施工成 本，降低重复工作对套管造成的损坏。（9）对有错断、破裂、外漏和腐蚀的套管有较好的反应。（10）测井施工过程中，可与噪声测井技术组合应用， 使解释结果更可靠。3.应用范围和实例（1）可检测碳钢或其他强铁磁性管内外壁缺陷和管壁的 厚薄的的情况，探头在管内摆动对检测也基本没有影响。（2） 在长输油管线(特别是铁磁性材料管道)有十分的优越性，目 前是管道在役检测是最有前途的技术。（3）在核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道的检测。4.前景和不足 随着远场涡流理论的逐步完善和相应的信号调理技术、信号处理技术、探头设计的不断完善，能满足各种实际需要 3图 5 漏磁检测原理2.特点（1）信号从传感器获取，并由软件判断有无缺陷，易组 成自动检测系统。（2）用电脑自动进行缺陷的判断和报警，大大降低人为因素的影响。（3）对缺陷的可进行初步定量，还可以对缺陷的危害程 度进行初步的评价。（4）采用传感器获取信号高效能、无污染，检测速度快。（5）在管道的检测中，在厚度高达30mm的壁厚范围内， 可同时检测内外壁缺陷。3.应用范围和实例 目前国内较多的方向有：（1）大量用于钢坯、钢棒、钢管的自动化检测。（2）储罐底板的检测；（3）电站锅炉的水冷壁腐蚀检测；（4）长输和埋地管道的检测；（5）游乐 场、索道、矿山、建筑等处钢丝绳的检测；（6）铁轨及车轮- 128 -磁铁N探 头 2S1Z（五）声发射检测技术的、高精度、高速度、智能化的远场涡流检测技术，会在国民经济和国防建设中发挥出巨大的经济效益和社会效益。 不足：（1）探头长度太长，难以在弯管中通过，尽管可以采用机械分段和绞接，但仍难保证其既能通过，又能确保 检测线圈位于远场区。（2）检测信号数值太小，通常为微伏或数+微伏数量级，信号的分辨和处理中仍很难。（3）探头运行采用低频激励，限制了它的扫描速度；（4）检测线圈只 能反应圆周缺损变化的平均值，直径较小的管子一般多用。 直径较大管子管内空间大，只能采用三维探头，采用沿圆周 分布一组检测线圈，以直接敏感三维缺损，才能改善缺损特征的表达。（四）微波检测1.原理 见下图，综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的 电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的 改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。1.原理将压电陶瓷探头耦合在材料表面上，将材料内声发射源 产生的弹性波转变为电信号，之后运用电子设备，将电信号 进行适当的放大和处理，使之明显化，并加以显示和记录，以获得材料内声发射源的特性参数。通过分析上述检验过程中，声发射仪器所得的各种参数，就可以知道材料内部缺陷 的情况。如果用多通道声发射检测系统，还可以确定声发射 源即缺陷的具体部位，如下图。图 8 声发射检测技术原理图2.特点（1）声发射检测技术是一种动态无损检测技术。（2）声发射探测到的声源能量来自被测试物体活性缺陷 的本身，而不是由无损检测仪器提供（如：超声或射线探伤 方法）。因此，声发射检测技术具有实时、在线的特点，并有 广泛地应用前景。（3）除极少数材料外，大部分的固体材料都有声发射现 象。（4）声发射检测技术是一种整体检测技术。适用工业过 程在线监控及早期或临近破坏预报。（5）对线状的缺陷较为敏感，较容易探测到在外加结构 应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号。（6）声发射检测方法对构件的几何形状无特殊要求，适于用形状复杂构件的活性缺陷检测与评价。（7）对于生产较忙的单位的检验，该方法可以缩短检验 的停产时间甚至不需要停产。3.应用和实例（1）压力管道的声发射检测，主要目的是发现压力管道 可能存在的泄漏源。（2）航空器蜂窝结构板、旋转部件和液压系统试验中的 应用。（3）检测桥梁活性缺陷的扩展。（4）岩体稳定性和地质滑坡监测。（5）对承压阀门泄漏进行检测。（6）焊接过程的声发射监测。（7）用于滚动轴承和滑动轴承的故障诊断。（8）在起重机械的监测和完整性评价方面有一些成功应 用的实例。（9）楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结 构裂纹开裂和扩展的连续监视等。4.前景和不足压力容器声发射检测是目前声发射技术应用最成功和普 遍的领域之一。我国声发射检测技术当前应解决的问题和发 展趋势为：（1）声发射技术在工程应用中寻求理论依据。（下转第 112 页）图 7 微波无损检测方框图2.特点（1）无损检测成像技术：微波技术使分米分辨本领的非 接触成像技术成为可能。（2）用于寻找和救护：微波的一个 应用技术是寻找被地震、滑坡、建筑物倒塌而掩埋的生命。 微波对微小的运动以及标示生命存在的呼吸运动等信息很敏 感，既使是失去意识的生命，也能探测到。（3）剩用反射波 检测物位 液位。（4）用微波实现大气遥感：遥感是获得大 气形成过程中瞬间状态的唯一途径。在分米、毫米和亚毫米 波段能使空间大气的感知成为可能。（5）新型微波车辆感知 器, 设置在道路上，利用汽车反射回的微波，确定汽车的位 置并根据多普勒频移确定汽车的运动速度。将数据传给交通 管理中心，经过分析进行合理疏导与统计。（6）利用穿透特 性测物质的厚度。（7）可用微波分析湿度。3.应用范围和实例 军事工业、航空航天工业中，各种高性能的复合材料、陶瓷材料等的广泛应用，微波检测技术得到很大的运用。在 复合材料制品中，难免会出现气孔、疏松、树脂开裂、分层、 脱粘等缺陷。这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及 在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用先进的微波 检测技术进行评定。4.前景和不足 微波检测可以实施“非接触”的检测和测试，在连续、快速测量和实现自动化检测方面有很大的应用前景；但其灵 敏度受使用频率限制，由于集肤效应不能检查金属、碳纤维 等导电材料内部缺陷，分辨力较低。- 129 -= T1 pd 24表 2 测量结果（11）V164m由(10)、(11)两式得待测样品的体积4= pd (（12）2 2 )V = V VT0 T1从表 2 可以看出，被测样品无水甘油的密度 = 1.276 g cm3 。无水甘油在 20.0 时密度的标准值为 = 1.260 g cm 3 ，测量结果与标准值相比，其相对误差为1.3% ，测量结果比较满意；被测样品食盐的密度 = 2.156 g cm 3 ，食盐在 20.0 时密度的标准值为 = 2.140g cm 3 ，测量结果与标准值相比，其相对误差为 0.7% ，测量结果比较满意。而其它待测样品由于未查到标准值，无法进行比较。（四）讨论1.利用该方法测量物质的密度，不仅解决了形状不规则 的可溶性物质如食盐、食糖等物质的体积测量困难，而且解决了吸水性物质如小米、红砖等物质的体积测量困难，特别 是解决了各种小粒状固体的体积测量困难，从而进一步解决了上述物质密度难以测量的问题。2.利用该方法测物质密度，改进了传统的实验方法，提 高了测试精度和测试速度，提高了工作效率，提高了仪器的 利用率，减少了人为误差，扩大了测量密度的范围。3.利用该方法测定固体和液体密度，测量装置简单、测 量方法可靠、智能化程度高，为测定物体密度又提供了一种 新方法。4.该方法对培养学生的创新思维能力有积极的推动作 用，在实验教学中颇具推广价值。5.由于气体比热溶比 的值与气体分子的自由度有关，要根据小钢瓶中气体的原子个数来确定，对于单原子气体， = 1.67 ；对于双原子气体， = 1.40 ；对于多原子气体， = 1.33 。 我们所用的小钢瓶中的气体是空气，可近似为双原子气体， = 1.40 。0 164m由物质密度的定义得： = M（13）V将(12)式代入(13)式得： =64mM（14）pd 4 (T 2 T 2 )0 1(14)式即为利用气体比热容测定仪测量物质密度的公式。（二）实验方法1.用螺旋测微器测量备用小钢球的（不可取出管道内的 小钢球，以免损坏仪器）直径 10 次。2.测量大气压强 p （实验开始前，结束各测一次，取平 均值）。3.用物理天平测量备用小钢球的质量 m 。4.烧瓶中不放待测样品，利用小气泵作为气源（由于整个装置处在空气中，可近似为双原子气体），测定小钢球振动 的周期T0 ，振动次数选 50 次，重复测五次。5.用天平测量待测样品的质量 M ，将待测样品放入烧瓶中，利用小气泵作为气源，测定小钢球振动的周期 ，振动T1次数选 50 次，重复测五次。6.将所测数据代入公式（14）计算出待测样品的密度 。（三）实验数据及结果小钢球的直径 d = (13.997 0.004)mm ，小钢球的质量m = (11.14 0.01) g ，大气压强 p = (1.013 0.001) N m 2 ，由于整个装置处在空气中，可近似为双原子气体，所以 = 1.40 ，其它实验数据见表 1。表 1测量数据【参考文献】1 王君,等.一种岩矿石密度测量的新方法J.地球物理学进 展,2005,20(2):440-442.2 孙 家 军 , 高 峰 . 一 种 测 量 密 度 的 方 法 J. 大 学 物 理 实 验,2007,20(2):35-36.3 杨述武.普通物理实验(一、力学及热学部分)M.北京:高等 教育出版社,2000:79-82,262.14王希义.大学物理实验M.西安：陕西科学技术出版社,1998.62-66,147.曹惠贤 .可溶性物质 质量密度的 测量 J. 大 学 物 理 ,2004,23(1):37-38.将上面所测数据代入（14）式，得到待测样品的密度见表 2。5（上接第 129 页）（2）完善并提