GBT 31211.2-2024(英文版) 无损检测 超声导波检测 第2部分：磁致伸缩法标准立项发展报告

无损检测超声导波检测第2部分：磁致伸缩法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Non-destructiveTesting—UltrasonicGuidedWaveTesting—Part2:MagnetostrictiveMethod摘要随着我国重大基础设施和能源装备规模的持续扩大，在役管道、钢结构桥梁、储罐底板等关键构件对高效、长距离无损检测技术的需求日益迫切。超声导波检测技术因其单点激励即可实现数十米范围内结构完整性筛查的独特优势，已成为国内外无损检测领域的研究热点与应用重点。其中，磁致伸缩法作为一种非接触式超声导波激励与接收方法，在高温、带防腐层、表面粗糙等复杂工况下展现出显著的技术适应性。然而，长期以来我国缺乏专门针对磁致伸缩法超声导波检测的统一国家标准，导致检测程序不一致、结果可比性差、人员操作随意等问题突出。为系统解决上述问题，全国无损检测标准化技术委员会组织开展了GB/T31211.2-2024《无损检测超声导波检测第2部分：磁致伸缩法》的研制工作。本报告对该标准的立项背景、研制过程、技术内容及预期效益进行了全面阐述。该标准于2024年5月25日发布并实施，填补了我国在该技术领域国家标准层面的空白，明确了磁致伸缩法超声导波检测的系统组成、检测方法、工艺要求和结果评定准则，对于规范行业检测行为、提升检测质量、保障重大装备运行安全、促进超声导波检测技术在国内的工程化应用具有重要意义。关键词：无损检测；超声导波；磁致伸缩法；国家标准；检测工艺；缺陷评定Keywords:Non-destructiveTesting;UltrasonicGuidedWave;MagnetostrictiveMethod;NationalStandard;InspectionProcedure;DefectEvaluation一、引言1.1研究背景超声导波检测技术是近年来无损检测领域中发展最为迅速的先进检测方法之一。与传统点对点逐点扫描的超声检测方式不同，超声导波在板、管、杆等波导结构中传播时，能够沿传播方向覆盖数十米乃至上百米的检测范围，实现真正意义上的"线检测"乃至"面检测"。这一技术特征使之特别适用于长距离输送管道、大跨度桥梁缆索、储罐底板、换热器管束等大型结构的快速腐蚀筛查和缺陷定位，在石油、化工、电力、交通、航空航天等国民经济支柱产业中具有广阔的应用前景[1]。超声导波的激励与接收方式主要分为压电法和磁致伸缩法两大类。其中，磁致伸缩法利用铁磁性材料的磁致伸缩效应及其逆效应——维拉里效应（Villarieffect），通过非接触式或弱接触式换能器实现超声导波的激励和接收[2]。与传统压电法相比，磁致伸缩法具有以下突出技术优势：第一，无需对被测构件表面进行打磨处理和耦合剂耦合，适用于带防腐层、涂层或锈蚀表面的构件检测；第二，换能器可在一定温度范围内工作，能够适应高温工况下的在线检测需求，避免了压电元件在高温下退极化失效的问题[3]；第三，通过调整偏置磁场和激励线圈参数，可灵活控制激励的导波模态和频率，便于针对不同检测对象优化检测方案；第四，换能器可设计为干耦合或非接触形式，便于实现自动化、阵列化检测，提高检测效率。然而，磁致伸缩法超声导波检测技术在工程应用过程中也存在一系列亟待规范的问题：不同检测机构所采用的检测系统组成和性能指标差异较大；导波模态选择、激励频率设置、传感器布置方式等关键工艺参数缺乏统一的确定原则；缺陷信号的判定准则和定量评价方法各异，检测结果的可靠性和可比性难以保证；检测人员的操作技能和经验水平参差不齐，直接影响检测质量[4]。上述问题的存在严重制约了该技术在更大范围内的推广应用，亟需通过制定统一的国家标准加以规范和引导。1.2标准编制的必要性1.2.1保障重大装备安全运行的需要在石油天然气长输管道、城市地下管网、大型储罐、跨海大桥等重大基础设施中，由腐蚀减薄、应力开裂等缺陷引发的安全事故屡见不鲜。这些结构往往处于连续运行状态，传统检测手段需要停运或局部开挖，检测成本和难度很高。超声导波检测技术能够在不影响结构正常运行的前提下，对较大范围进行快速筛查，及时发现安全隐患。制定统一的技术标准，能够确保检测结果的准确性和可靠性，为重大装备的安全评估提供科学依据[5]。1.2.2填补标准体系空白的需要当前，ISO、ASTM、EN等国际和国外先进标准组织已陆续发布了超声导波检测相关标准。例如，ISO18269:2017《无损检测管道腐蚀超声导波检测》对管道导波检测的一般要求进行了规定[6]；ASTME2775-16《用导波测试对管道进行短程检测的标准实施规程》侧重于短距离导波检测的应用规范[7]。然而，上述标准主要基于压电法超声导波技术制定，对磁致伸缩法涉及甚少。在国内标准体系方面，GB/T31211《无损检测超声导波检测》系列标准中，第1部分规定了通用技术要求，主要针对压电法进行了框架性规定，而磁致伸缩法的技术要求和检测工艺细节一直处于空白状态。因此，制定本部分标准是完善我国超声导波检测标准体系、实现与压电法标准互补配套的关键步骤。1.2.3促进行业规范发展的需要近年来，国内从事超声导波检测服务的机构和装备制造企业快速增多，市场竞争日趋激烈。但受缺乏统一标准约束的影响，市场上部分检测服务行为存在工艺随意调整、结果评价标准不一、报告格式不规范等问题，不仅损害了用户的合法权益，也影响了行业整体的社会公信力。制定和实施本部分标准，有利于建立公平有序的市场竞争环境，引导行业从"经验驱动"向"标准驱动"转变，提升我国超声导波检测行业的整体技术水平和规范化程度。1.3标准定位与适用范围GB/T31211.2-2024《无损检测超声导波检测第2部分：磁致伸缩法》是GB/T31211《无损检测超声导波检测》系列标准中的一个重要组成部分。该系列标准的整体结构设计如图1所示（示意）。本部分标准聚焦于磁致伸缩法，对采用磁致伸缩效应激励和接收超声导波，对构件进行检测的方法和要求进行了规定。本标准的适用范围主要包括：采用磁致伸缩式超声导波换能器，对钢质管道（包括直管段、弯头及管件）、钢棒、钢索等铁磁性构件进行的快速检测；适用于构件表面带有防腐层、保温层或轻微锈蚀的工况条件；检测目的包括壁厚减薄（腐蚀）、横向裂纹、焊缝缺陷等的筛查与定位。本标准不适用于非铁磁性材料（如奥氏体不锈钢、铝、铜等）构件的超声导波检测，也不适用于压电式超声导波换能器的检测应用。需要说明的是，本标准主要定位于构件的"快速筛查"层面，即通过对导波传播信号的采集与分析，识别可能存在缺陷的区域并给出位置信息，具体的缺陷定量（精确测量缺陷尺寸和剩余壁厚）通常需要采用其他无损检测方法（如常规超声、相控阵超声、射线检测等）进行复验确认。这一技术定位与国际上超声导波检测领域的通行做法一致。二、标准研制过程2.1标准立项阶段GB/T31211.2的研制工作起始于对国内超声导波检测技术应用现状和标准化需求的系统调研。全国无损检测标准化技术委员会（SAC/TC56）在组织行业调研和专家论证的基础上，经充分讨论和审议，正式提出了本部分标准的立项建议。该立项建议详细阐述了制定磁致伸缩法超声导波检测标准的必要性、紧迫性和可行性，明确了标准的适用范围界定、主要技术内容框架以及与已有标准的协调关系。立项建议经国家标准化管理委员会审查批准后，正式列入国家标准制修订计划项目。为保证标准研制工作的科学性和权威性，SAC/TC56组建了由国内超声导波检测领域知名专家、骨干企业和检验检测机构技术人员组成的标准起草工作组。起草工作组成员单位涵盖高校科研院所、无损检测装备制造企业、特种设备检验机构、石油化工企业和电力行业检测单位等，充分体现了产、学、研、检、用的结合。2.2起草与研讨阶段起草工作组在系统收集和分析国内外相关技术文献、标准资料和工程应用案例的基础上，结合各成员单位在磁致伸缩法超声导波检测领域的研究成果和实践经验，形成了标准草案的框架。随后，工作组多次召开专题研讨会，围绕标准的适用范围界定、术语定义、检测系统性能要求、检测工艺参数选择、缺陷判别准则等核心技术问题进行了深入讨论，逐条审议和完善标准草案内容。在起草过程中，工作组特别关注了以下关键问题的处理：一是如何合理界定标准的适用范围，既不能过宽而影响可操作性，也不能过窄而限制技术的发展空间；二是如何在标准中规定检测系统关键性能指标，既能确保检测质量，又不过度制约装备设计和制造的灵活性；三是如何科学规定导波模态选择和激励频率确定的指导原则，兼顾检测灵敏度与检测距离的平衡；四是如何建立缺陷信号分级评定准则，既满足工程筛查的实际需要，又保持与后续验证检测的良好衔接。2.3征求意见与审查阶段标准草案形成后，按照国家标准制修订程序的有关规定，通过全国无损检测标准化技术委员会广泛征求了行业内相关企事业单位、高等院校、科研机构、检验检测机构和社会公众的意见。征求意见范围覆盖标准可能涉及的各利益相关方，确保了标准制定过程的公开、公正和透明。工作组对反馈的全部意见进行了逐条汇总、分析和处理，对合理的意见予以采纳并对标准文本进行了相应修改和完善；对未采纳的意见给出了充分的理由说明。经过多轮修改完善，标准送审稿最终形成，并提交全国无损检测标准化技术委员会全体委员审查。经与会委员认真审议和表决，标准送审稿获得通过。2.4标准发布阶段标准报批稿经国家标准化管理委员会审核批准后，于2024年5月25日正式发布，标准编号为GB/T31211.2-2024，并于发布当日同步实施。该标准的发布填补了我国磁致伸缩法超声导波检测领域国家标准层面的空白。三、标准主要技术内容3.1标准结构框架GB/T31211.2-2024在结构编排上遵循GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定[8]，并结合无损检测领域标准的通行编写惯例，设置了完整的章节结构。标准的主体技术内容包括：范围、规范性引用文件、术语和定义、检测原理、检测系统、检测方法、检测工艺、结果评定和检测报告等核心章节。以下对各主要章节的内容要点进行阐述。3.2术语和定义为避免歧义、统一理解，本标准对磁致伸缩法超声导波检测所涉及的核心术语进行了规范定义。主要包括：磁致伸缩效应（magnetostrictiveeffect）——铁磁性材料在磁场作用下发生尺寸变化的物理现象；逆磁致伸缩效应（inversemagnetostrictiveeffect），即维拉里效应——铁磁性材料在应力作用下其磁化状态发生改变的现象；磁致伸缩换能器——利用磁致伸缩效应及其逆效应实现弹性波与电磁能相互转换的器件；以及导波模态、相速度、群速度、频散特性等导波基本概念。同时，对本标准涉及的检测系统组成部件（如激励线圈、接收线圈、偏置磁化装置、永磁体等）和工作参数（如激励频率、脉冲重复频率、增益等）也进行了相应定义，为后续条款的准确理解奠定了基础。3.3检测原理磁致伸缩法超声导波检测的基本原理建立在铁磁性材料的磁-机械耦合效应之上。在激励过程中，置于被测构件表面附近的激励线圈中通入高频脉冲电流，产生交变磁场；在偏置磁场（可由永磁体或直流线圈提供）的协同作用下，构件表层铁磁性材料内产生周期性的磁致伸缩应变，从而激发出沿构件传播的超声导波。在接收过程中，传播至接收位置的导波引起构件表层材料产生动态应变，通过逆磁致伸缩效应导致材料磁化状态发生变化，该磁变化经接收线圈耦合后转化为电信号，经放大、滤波、采集和处理后获得检测信号[9]。磁致伸缩法的信号激励与接收过程如图2所示（示意）。标准中对上述原理进行了系统阐述，重点说明了偏置磁场的作用机理、传感器布局方式（如脉冲-回波模式和双探头一发一收模式等）以及不同布局的适用场景。3.4检测系统标准对磁致伸缩法超声导波检测系统的构成和性能指标提出了明确要求。检测系统通常由超声导波检测仪（主机）、磁致伸缩换能器（传感器）、信号采集与处理软件、辅助工装及标定试块等组成。在检测仪方面，标准规定了激励电压/电流的调节范围、频率调节精度、接收通道的增益范围和动态范围、信噪比要求以及数据存储和处理能力等基本要求。在磁致伸缩换能器方面，针对管道检测中常用的环形传感器和局部传感器，标准规定了传感器的灵敏度一致性、频率响应特性、抗干扰能力以及适用管径适用范围等技术要求[10]。此外，标准还规定了检测系统在使用前和使用过程中应进行的性能核查方法和核查周期，以确保系统始终处于良好的工作状态。3.5检测方法标准对检测方法的总体要求与一般程序进行了规定，主要包括以下关键环节：检测时机与表面准备：规定了实施磁致伸缩法检测的结构应满足的条件，包括被测构件的温度范围、表面状态要求（允许带防腐层检测但应记录涂层类型和状况）、被测区域应避免存在强磁场干扰源等。要求检测前应收集被测构件的基本信息，包括材质、几何尺寸、运行历史、已知缺陷情况等。导波模态选择与参数设置：标准对管道中超声导波典型传播模态（纵向模态L(0,m)、扭转模态T(0,m)、弯曲模态F(n,m)）的选取原则进行了指导性规定，说明应根据检测目的（如腐蚀筛查还是裂纹检测）、管道几何参数和介质条件选择适宜的模态和频率。同时规定了应通过理论计算或实测确定所选用模态的频散特性，通过频散曲线指导激励频率的选取，避免在强频散区域工作[11]。传感器安装与信号采集：规定了传感器在被测构件上的安装位置、间距、周向覆盖率要求，以及传感器的固定方式和耦合一致性检查方法。对信号采集过程中的激励参数（脉冲电压、激励周期数、脉冲重复频率）、接收参数（增益、滤波频带、采样率）的设置原则进行了规定。灵敏度校准：规定检测前应在被测构件上或在与被测构件相同规格的标定管段上进行灵敏度校准，通过人工模拟缺陷（如不同深度的人工槽或孔）回波信号确定检测灵敏度，确保检测过程中对规定尺寸以上缺陷的检出能力。3.6检测工艺检测工艺是保证检测质量的核心环节。标准从以下几个方面对磁致伸缩法超声导波检测工艺提出了要求：在工艺文件编制方面，要求检测机构在实施检测前编制详细的检测工艺文件或作业指导书，明确检测对象信息、检测设备和换能器规格、检测参数设置、灵敏度校准方法、扫查方案、缺陷评定准则和验收要求等内容。在检测实施方面，规定了检测覆盖范围的确定方法，要求应根据导波衰减特性和灵敏度要求确定单次激励的有效检测距离，确保被检区域被充分覆盖。对长距离检测中存在的盲区问题，标准要求在传感器两侧一定范围内采用其他检测手段进行补充检测，以保证全区域覆盖。在数据记录与存储方面，规定了检测信号数据的记录方式和保存要求，要求原始数据应完整保存并具有可追溯性。3.7结果评定与报告检测结果的评定是标准的重点内容之一。标准规定了缺陷信号的分析与评价方法：首先根据导波传播时间和群速度计算缺陷回波对应的位置，然后根据回波信号的幅值、相位特征和多个传感通道的回波特征判断缺陷的方向性和严重程度。对于信号幅值，标准参考了国外先进标准的技术思路，引入了基于距离-幅值修正曲线的缺陷严重程度分级评定方法，即根据回波幅值与校准回波幅值的比值，结合缺陷所在位置的距离修正，将检测结果分为不同等级，以便于检测人员直观地判断疑似缺陷的严重程度，并决定是否需要进一步的验证检测[12]。同时，标准明确了本标准的检测结果主要定位于缺陷筛查和定位，缺陷的最终定性和精确测量应采用其他无损检测方法进行复验，并给出了推荐使用的复验方法（常规超声、