无损检测在国民生产中的应用和新技术.docx

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无损检测在国民生产中的应用和新技术

无损检测在国民生产中的应用和新技术

无损检测是什么？

定义一：

在不损伤构件性能和完整性的前提下，检测构件金属的某些物理性能和组织状态，以及查明构件金属表面和内部各种缺陷的技术。

定义二：

在不损伤被检测结构构件的条件下，检查构件内在或表面缺陷，检测有关物理量的材料试验方法。

无损检测即NDT（Non-destructivetesting），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。

无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。

常用的无损检测方法：

射线照相检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）四种。

其他无损检测方法：

涡流检测（ET）、声发射检测（ET）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测试检测方法（RFT）等。

无损检测有如此作用注定了在国民生产中占有重要的地位。

射线照相法（RT），是指用射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材的无损检测方法，该方法是最基本的，应用最广泛的一种非破坏性检验方法。

射线照相检验法的原理：

射线能穿透肉眼无法穿透的物质使胶片感光，当X射线或r射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜影，由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同，照射到胶片各处的射线能量也就会产生差异，便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷。

射线检测的检测结果有直接记录，可以作为档案资料长期保存，检测图像直观，对缺陷尺寸和性质判断比较容易。

因此，射线探伤在化工。

炼油、电站设备制造以及飞机、宇航、造船等工业中得到广泛应用，还有射线检测在复合材料的检测中有着重要的作用（其中运用了X射线照相法、X射线实时成像法、射线计算机断层扫描法、射线断层形貌成像法、康普顿散射法及中子照相法等）。

对控制和提高产品的制造质量起了积极的作用。

渗透检测（PT）基本原理：

零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透剂后，在毛细管作用下，经过一段时间，渗透液可以渗透进表面开口缺陷中；经去除零件表面多余的渗透液后，再在零件表面施涂显像剂，同样，在毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光源下（紫外线光或白光），缺陷处的渗透液痕迹被现实，（黄绿色荧光或鲜艳红色），从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

现代工业探伤应用中液体的渗透探伤分两大类，即荧光渗透和着色渗透探伤。

渗透检验已被广泛地应用于航空工业、核工业、机械制造业和石油化工工业等领域,为原材料检验、加工制造检验和在役设备检验提供了一种有效的检测表面缺陷的方法。

磁粉检测（MT）原理：

铁磁性材料和工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大小。

适用于检测铁磁性材料工件表面和近表面尺寸很小，间隙极窄的裂纹和目视难以看出的缺陷、检测马氏体不锈钢和沉锈钢材料，不适用于检测奥氏体不锈钢材料、检测未加工的原材料（如纲坯）和加工的半成品、成品件及在役与使用过的工件、适用于检测管材棒材板材形材和锻钢件铸钢件及焊接件、使用于检测工件表面和陷，淀硬化不但不适用于检测工件表面浅而宽的缺陷、埋藏较深的内部缺陷和延伸方向与磁力线方向夹角小于２０度的缺陷．磁粉探伤主要分为普通磁粉探伤和荧光磁粉探伤两种。

在国内广泛应用于药理容器及锅炉制造、化工、电力、造船、航空部门的重要零部件的表面质量检验。

如：

船舶业的磁粉探伤主要应用于船用铸锻件的大型部件，如舵叶、舵钮等上的重要部位。

　　涡流检测（ET）英文名称是：

EddyCurrentTesting，工业上无损检测的方法之一。

给一个线圈通入交流电，在一定条件下通过的电流是不变的。

如果把线圈靠近被测工件，像船在水中那样，工件内会感应出涡流，受涡流影响，线圈电流会发生变化。

由于涡流的大小随工件内有没有缺陷而不同，所以线圈电流变化的大小能反映有无缺陷

　　涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，它适用于导电材料。

如果我们把一块导体置于交变磁场之中,在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。

由于导体自身各种因素（如电导率，磁导率，形状，尺寸和缺陷等）的变化，会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质，状态的检测方法叫做涡流检测方法。

由于涡流检测具有超声波检测、磁粉检测等其他检测都不拥有的特点，与之互相补充，成为五大无损检测之一。

近表面的缺

超声波检测（UT）是一种重要的无损检测技术,由于它的穿透能力强、对人体无害,已较广泛应用于工业及高技术产业中。

近期召开的国际与全国性无损检测学术会议上,超声检测方面（含声发射）的论文数量都几乎占到总数的一半,成为学术研究的活跃分支。

十余年来推动超声检测发展的主要因素是①工业生产中的质量意识不断提高以及在役设备寿命预测技术的要求。

②诸如复合材料和精细陶瓷等新材料的应用,使传统的超声检测方法遇到障碍,促使人们探索采用若干特殊的超声检测途径。

③微机技术的突飞猛进带动了传统超声检测技术水平的提高,使其获得的结果更直观可靠,还能方便地以二维或三维形式成象。

④现代信息科学为超声检测的发展注入了新的活力,由此可对一些复杂的检测信号与过程作出迅速有效的提取与解读。

⑤特殊的构件对超声检测提出了非接触的要求,促使超声检测从换能方法上有了新的突破。

目前在若干领域超声检测开始向超声无损评价发展,使得超声检测内容有了新的内涵。

从超声检测新技术的应用面来看,它包含了许多内容,如超声波应力与残余应力测量技术、超声显微镜技术及超声层析成象技术等。

超声波工作的原理：

主要是基于超声波在试件中的传播特性。

a.声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；c.改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；d.根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超声波检测的应用实例有：

屏幕铸铁超声波检测、钢壳和模具的超声波检测、小型药理容器壳体超声波检测、复合材料检测（包括脉冲反射法、脉冲穿透法和共振法）、各类结构件焊缝的超声波检测和各类非金属材料探伤。

超声波检测适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测，穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。

如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件，缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高，灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷，检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

鉴于超声波检测的优点，故在国民生产中广泛应用，对生产起到重要的作用。

超声波成功的应用实例：

1、英国《新科学家》周刊8月20日一期报导，美国俄亥俄州阿克伦大学的科学家用超声波“照射”水中的有机污染物，污染物几分钟即分解。

这些污染物包括油漆、溶剂、染料、墨水及杀虫剂中常见的含氯有机物。

这种治污法比使用中间反应物的常规方法花钱少、彻底2、日本《读卖新闻》二月27日报道，日本岩手医科大学26日宣布已研究出利用血液流动的声音检查脑血管堵塞等，成为脑血栓症状的“声音诊断法”以早期发现脑血栓。

诊断装置是由传感器、放大器和过滤器等构成。

被诊断者躺在床上，把传感器放在额部，五分钟之后就可诊断出结果。

对49名脑部有血管障碍的人和34名没有血管障碍的人进行了检查，结果，有血管障碍的人准确率达83.7%，没有障碍的人准确率达94.1%。

3、便携式铁轨检测仪：

日本铁道公司研制的便携式轨道检测装置检查轨道接缝处焊接是否出现异常情况，在2-5兆赫超声波探伤仪上安装了计算机、接口和位置检测仪，无需象以前使用的便携式检测仪那样计算超声波的入射位置，使用起来非常简便。

其机理是：

当轨道异常时就会在断面和平面两种画面上按照事先设定的测试标准用三层颜色表示出来。

因此即使操作人员不具备熟练地预先设定灵敏度和探伤方法的技术也可直接检测接缝处有无异常。

此外，它可通过计算机卡将信息传送到计算机主机上，还可进行档案管理。

无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。

当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用,日本制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中,把无损检测放在十分重要的位置。

各国对于无损检测的新技术发展也越来越重视。

本文从前人研究背景出发,对超声导波技术、声发射新技术、新型非接触超声换能方法及超声信息处理与模式识别等四方面的研究新进展作一综述,对它们的特点、适用性及发展方向进行讨论。

1、超声导波技术

常规的主动式超声无损检测中,假设声传播介质足够大（与波长相比）,人们利用超声反射及散射等现象对材料与构件进行质量或特性的检测,并尽可能避免导波的出现,这是因为导波的波型复杂,且有频散现象。

近年来,各国科学家投入了较大的热情研究用超声导波进行无损检测的途径,这有两方面原因,即①纤维增强型复合材料的损伤与缺陷较难用超声反射方法探测到,导波有望成为单面检测这类材料与构件的良好手段。

②用常规超声扫查方式检测大型结构件相当费时、费力,导波则为一种快速有效的无损检测技术。

早些时候,人们仿照超声反射方法观察超声导波在板（或近似板结构）、棒或管状结构中的反射形态,试图从缺陷或组织变异体的导波反射幅度来判断构件内部状况,但由于超声导波在传播体不同部位的能量相差较大以及模式转换等复杂因素,使得该方式至今尚未得到工业界普遍接受。

近期的研究表明,以前尽可能避免的频散现象恰恰可以作为超声导波检测的重要参数,超声导波的频散曲线对分层和脱胶等严重危害复合材料的现象较灵敏,利用若干模式超声导波频散曲线可判断被测物体的内部状况。

另一方面,分层或弱胶将使超声波在固体声腔

中传播的边界条件改变,造成其各频率分量的变化,因此超声波在波导中传播一定距离后的频谱及其变化也成为评价被测体的一个参量。

采用人工神经网络技术则可准确有效地对复杂的频散曲线及频谱曲线进行反演,即由获得的超声参量推算出被测体的各种状况。

目前,人们已开始用超声导波对大型固体、液体火箭壳体及若干航空结构件进行无损检测与评价,其特点是快速有效（较之常规的超声检测）。

管状结构是超声导波可发挥其特长的又一对象,用该技术可对各种管道进行长距离一次性检测,国外已成功地用超声导波对核工业、电力与石化等行业的管道进行检测。

2　、声发射新技术

与采用超声探头发射超声波的主动检测不同,声发射技术是一种被动式检测技术,其超声波（或声波）是材料或构件受外力或内力等作时自发的。

早在60～70年代,声发射技术就进入了应用阶段,主要领域是泄漏的监测与定位、材料与构件中裂缝扩展的监测与分析机构件在役条件下失效的报警等。

在关键的航天与国防工业中,声发射技术至今仍用于导弹壳体与潜艇的水压试验,以此对构件的安全性能与失效行为进行动态监测与评价。

显然,常规的声发射技术在一定程度上尚不能完全被称之为无损检测技术,若干试验条件下材料与构件可能由于不可忽视的损伤产生声发射。

近期人们将注意力集中于用声发射无损评价材料与构件的完整性,或预测构件的强度与爆破压力。

当产品的形状与结构复杂时,工业生产流水线上较普遍欢迎采用声发射技术对构件作快速无损评价,这里仅需将构件（或零件）设置在较低的应力与温度运行环境下（相对构件正常使用时）,用声发射信号动态识别构件是否有危害性缺陷（即使是十分微小的缺陷）和整体上的不匹配。

其依据是构件中不易用其它方法探测到的小缺陷在低的应力条件下也会产生一定的声发射信号。

至今,人们评价压力容器整体性能的常规做法是,在实验室条件下给其加压至接近实际使用压力（或更高）,考验其是否出现异常情况,这时对压力容器来说可能已产生了某种损害,工业设计部门及用户对此试验方法一直持保留态度。

根据这一情况,美国科学家首先提出了以观测压力容器在远低于实际使用压力条件下的声发射信号来预测该容器的爆破压力与强度。

由于压力容器,尤其是纤维增强复合材料压力容器爆破压力和强度与低压力状态下声发射信号关系复杂,目前还只能通过大量实验积累众多的数据,以达到准确预测的目的。

最近,一种采用人工神经网络的声发射爆破压力与强度预测技术已被用来评估复合材料固体火箭壳体的性能,其爆破压力与强度预测的准确性达到±5%。

3　、新型非接触超声换能方法

传统的超声检测均采用接触式换能方法,即在超声探头与被检材料或构件间用诸如油脂或水等声耦合介质使超声波的大部分能量传入被检工件。

无论使用何种耦合介质,在检测工作结束后都应该将其清除,残留的耦合介质有时会造成工件的质量问题。

另外,在高温或高速生产的流水线上,一般的超声探头无法稳定地耦合到被检工件上,由此科研人员萌发了发展非接触超声换能新方法的念头。

目前已有的非接触超声换能方法主要有电磁声方法、静电耦合方法、空气耦合及激光超声方法。

其中前两种方法的换能器与被检对象的表面距离较近,被用于某些较特殊的工业与实验室环境;后两种方法的换能器件可与被检对象保持较长距离,因而具有较好的发展前途。

所谓的空气耦合是一种直接用空气作为耦合介质的方法。

由于固体与空气的声阻抗相差有五个数量级,在固2气界面上必然有极大的能量损耗,因此,这时的高频空气超声换能器（相对几十千赫的普通空气换能器）不仅要求发射功率大,且必须有良好的电气与声匹配。

由于该方法的能量损失太大,目前的工业应用领域尚不广。

俄罗斯等国近期已将该技术用于特殊航天构件,尤其是非金属复合材料构件的非接触无损检测与评价,对保障其航天军事科技的领先地位起到了积极的作用。

激光超声则是各国科学家寄予极大期望的新型超声换能方法,该方法利用脉冲激光产生窄脉冲超声信号,再用光干涉方法检测超声波,它具有时间与空间上的高分辨力,且光学上的聚焦可使检测点很小。

在经历了前一时期理论探索后,目前该领域的研究大多开始转向实用化。

该技术不仅适用于高温和快速运动等需非接触检测的工件,而且可对形状结构较复杂或尺寸较小（对常规的超声探头无稳定耦合面）的工件进行无损评价,如金刚石构件、人工晶体及薄膜材料等。

目前,激光超声的不足是检测系统庞大以及检测环境要求较高（要隔振等）,若能突破这些技术问题,该方法将大有前途。

4、　超声检测中的数字信号处理与模式识别

由于材料与构件超声检测使用的频率一般为数兆赫或更高,对其射频信号进行数字处理时的电子元件性能要求较高,因此现代数字信号处理技术在超声检测中的应用一直到80年代初才开始,目前工业实用性产品仍不多。

近十年来,随着电子产业的进步,各种现代数字信号处理与模式识别技术大量引入超声检测研究,使得若干以往很难解决,或只是理论上可以解决的问题可望得到切实解决。

定量化是数字信号处理与模式识别用于超声检测的主要目的之一。

到目前为止,工业用超声无损检测大多还停留在了解材料与构件内是否有缺陷,或凭经验大致判断缺陷的大小与位置。

近期的理论与实验研究表明,采用多参量的超声数字信号处理与模式识别技术可给出检测的量化结果,如缺陷的大小、位置、形状或性质（是空穴或夹杂等）。

与断裂力学知识相结合,现代超声检测还可望进一步对构件的强度与剩余寿命进行评估,这方面的成果已开始在发达国家的电力行业初步应用。

数字信号处理与模式识别用于超声检测的另一个主要目的是分离与识别一些复杂的检测信号。

如粗晶奥氏体钢的超声探伤由于信噪比很低,使得各国学者不断探索新的解决途径,近期,将现代数字信号处理与人工神经网络技术用于超声检测,人们已能较稳定地探测出各类奥氏体钢构件的缺陷。

类似的例子还有纤维增强复合材料、混凝土及岩石等的超声无损检测。

新型的信号分离与识别技术使得超声检测较好地适应了新材料及其它工业技术发展的需求,电子技术与计算机技术的飞速发展及其成本的大幅度降低,又加快了采用现代数字信号处理与模式识别技术的超声检测仪器的工业应用步伐。

工业的发展离不开技术，工业进一步发展离不开新技术，本文简单介绍了无损检测的内容、在国民生产中的应用和四种新的无损检测技术，要发展首先要知道我们需要什么，根据我们的需要不断的改进技术、创新技术，本文收集的几个新技术都是各国学者根据生产的需要创新出来的，相信必定会对各领域的发展起着积极的推动作用。

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