大型结构件无损检测技术分析*

李　佳　李　军

重庆交通大学 机电与车辆工程学院



大型结构件无损检测技术分析*

李佳李军

重庆交通大学 机电与车辆工程学院

摘要：针对大型结构件使用过程中的损伤与事故等问题，介绍了大型结构件非常规无损检测的技术，以超声衍射时差法、超声相控阵检测、电磁超声检测、金属磁记忆检测无损检测方法为例，阐述了其基本原理、特点和应用。

关键词：大型结构件； 超声衍射时差法； 超声相控阵检测； 电磁超声检测； 金属磁记忆检测

1引言

重庆市自然科学基金重点项目(CSTC2013yykfB0184)

无损检测技术是应用光、电、磁、声学等领域的学科知识的一项综合性的检测技术，在复杂机械设备、特种机械设备特别是大型结构件中有着广泛的应用。

在大型结构件中，应用最多的是金属材料。由于金属材料在不同应力的作用下可能会产生金属疲劳，从而产生断裂现象，尤其在大型结构件中的焊接部位更易断裂[1]。定期对设备进行检测，可以判断其可能出现的问题，有效避免事故的发生。常规的无损检测技术无法实现构件焊缝快速、全面检测，如磁粉检测(MT)只能用于表面及近表面检测，要求被检测工件具有一定的表面粗糙度，且只能定量分析，难以对缺陷的性质和埋藏深度进行正确的判断。渗透检测(PT)只能用于表面及近表面检测，不能检测质地疏松材料，且只能检测开口性缺陷(如表面裂纹)。涡流检测(ET)只适于导体材料表面及近表面的缺陷的检测，不适用于轮廓比较复杂的零件，且其结果也容易受到试件自身等因子的干扰[2]。

鉴于大型结构件类设备的特殊性，对金属结构件的焊缝裂纹、应力集中等缺陷采用非常规性的无损检测技术与方法，是解决大型结构件实时检测与监测的关键技术之一。

2非常规无损检测技术

非常规无损检测技术是基于常规的无损检测与其他领域(如医学中CT成像可用于复合材料)融合发展而来，主要包括超声衍射时差法(TOFD)、超声相控阵检测方法、电磁超声检测方法、金属磁记忆检测方法。

2.1超声衍射时差法(TOFD)

TOFD技术出现于20世纪70年代。TOFD检测不是以缺陷回波幅度作为定量判断的依据，而是依靠衍射信号的传播时间，其基本原理为惠更斯原理。TOFD检测技术采用发射和接收2类探头来产生非聚焦的纵波。检测时采用一对或多对宽声束、宽频带、纵波的斜探头相对于焊缝对称布置，并设置好探头的频率、选好晶片大小、调好探头的间距等。当声束在焊缝中传播遇到缺陷时，缺陷触发反射波，缺陷端角触发衍射波，此时另一边探头同时接收反射波和衍射波并通过计算机测量衍射波传播时间以及利用三角方程来定出缺陷的尺寸、位置，缺陷的检出与判别不受声束发射角度、检测方向、缺陷表面的粗糙度等因素的影响。该检测克服了普通超声波检测结果不直观和不能精确测量、射线检测工件表面垂直的面状缺陷和裂纹不能被检测的弊端，在缺陷检出率、缺陷深度、长度测量的准确性上优势突出[3]。当其与脉冲回波相结合进行检测时，还可实现焊缝100%的全覆盖。此项技术已广泛应用于船体结构、船舶管道焊缝等。

在TOFD技术应用方面，洪作友等应用TOFD技术对电站蜗壳焊缝检测做了验证性试验，在与常规超声、射线检测对比试验中，TOFD检测技术能很好检测出蜗壳焊缝缺陷等问题，以及缺陷的大小和较详细的情况，现已经应用于电站机组蜗壳焊缝的检测中，且检测的平面缺陷和缺陷检出率准确性较高[3]。李友等人针对船舶大合拢焊缝交叉部位的检测采用TOFD检测技术，在检测工艺上订制了专用的TOFD检测工艺，给出了交叉部位缺陷长度、深度的计算表达式，并完成了TOFD与射线检测结果的对比性分析，分析结果表明，TOFD检测技术对船舶大合拢焊缝的无损检测具有很好的优越性[4]。

但是，由于直通波(LW)、底面反射波(BW)的存在，当只采用TOFD检测近表面时存在盲区，使该区域检测的可靠性较差；对于体积状缺陷由于声波的衍射能量不同可能出现一定的漏检；还存在检测探头与被测表面要有较好耦合条件的局限，且参数设定对于检测效果也有一定影响。因此运用TOFD检测技术对缺陷等进行检测时可将其他检测技术作为辅助，使检测结果更加准确可靠。

2.2超声相控阵检测方法

超声相控阵是由超声探头晶片组合而成的，是将多个压电晶片人为地按照一定分布规律排列，通过控制换能器阵列中超声探头发射或接收脉冲的不同时间，来改变其发射超声波到达被测物体内某点(或改变接收超声波来自被测物体内某点)时的相位关系，从而促使声束发射方向的变化和聚焦点的改变，最终实现超声波成像的技术。

超声相控阵探头探伤主要是利用其声束角度可控和动态聚焦2大特点[5]。而其技术的关键在于对相控阵系统各单元的相位延时的把握。理论分析表明，要实现相位偏转、动态聚焦、声束形成等相控效果，必须要控制好各单元的相位延迟，最终提高其检测精度、分辨率和相控阵的稳定。

超声相控阵技术典型应用有压力容器检测、腐蚀检测、T型焊缝查扫、异种金属粗晶材料焊缝检测等，还可用于核工业与航空工业等领域。探头排列类型主要是线性(常用)、二维矩形列和环形阵列。对于某些特殊的检测对象或特殊的检测环境，有必要采用不同类型的相控阵阵列探头，比如适用于狭小空间的探伤检测的小脚印探头等[6]。实验表明，将超声相控阵的脉冲反射法和衍射时差法(TOFD) 相结合，能够实现对缺陷的全方位分析(定位、定性、定量)，实现精确的无损探伤[7-8]。

此技术实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检测，具有很高的灵敏度与检测速度，在分辨率、信噪比、缺陷的检出率等方面具有一定的优越性[9]。它作为一种高速、精准的探伤检测手段，不单单用于焊缝检测，在铸件、锻件等其他构件常见缺陷的检测上同样适用。

2.3电磁超声检测方法

电磁超声检测与传统的压电超声相比，虽同属于超声范畴，但激励和接收方式不同。它直接利用电磁耦合(不需要额外的耦合条件)来激发和接收超声波。金属导体在交变磁场中内部将产生脉冲涡流，激发的电流在磁场中受到洛伦磁力的作用；同时，金属介质在应力的作用下将产生应力波(可称超声波)，脉冲电流向外辐射一个脉冲磁场，并与外磁场交互作用产生磁致伸缩力，在此力的作用下产生不同的电磁超声。

电磁超声检测装置主要由高频线圈、磁铁、试件本身组成。电磁超声检测是非接触性检测技术，不需要耦合剂，可穿透过覆盖层等，能够产生表面波、SH/SV波、Lamb波。电信号的频率可以影响声束的辐射角，在保持其他条件一定的情况下，可以在同一种换能器的条件下实现波形模式的自由选取，这样就可以针对性地选取最优波形进行检测。

电磁超声检测对被测工件表面质量要求不高，在列车车轮踏面、钢轨状态、桥梁伸缩缝及钢板表面缺陷等检测中应用广泛[9]。同时由于该技术适应高温探伤而被广泛应用于特种设备的检测中，比如炼油厂管道、电站锅炉炉管等高温压力容器。电磁超声作为一种非常规的无损检测技术，有换能效率低、信噪比大、分辨率低等缺陷，需要通过外电路对信号进行处理[11]，故常将其与传统的方法结合应用。

2.4金属磁记忆检测方法

钢结构件在运动时，在工作载荷与外磁场同时作用，产生疲劳而形成微小裂纹。在应力集中区域发生具有磁弹性效应与磁致伸缩性质的磁畴定向和不可逆的再次取向。在工作载荷移除后不但不会消失，还与其所受到的最大作用应力成一定的相关性；之后由于其残余磁性的存在将在表面形成漏磁场，从而在金属表面产生的磁状态存留着微观缺陷或金属应力集中区域的位置，即为金属磁记忆效应[12]。

金属磁记忆无损检测技术利用了金属磁记忆效应，能够对微观缺陷、早期失效和损伤等进行诊断。金属磁记忆检测技术对于金属结构焊接接头而言，其磁化强度沿着焊接热循环所造成的残余应力的作用方向是不可逆变化，存在一定的残余磁化强度[13]。对焊接工件表面固有漏磁场HP分布进行测量分析时，移动检测传感器，当仪表记录法向分量HP(y)改变符号且为零值时，可确定金属结构和焊接工件的应力集中区、缺陷和不均匀性等问题[14]。该技术在压力管道裂纹及焊接缺陷有所应用，在电梯、起重机械、大型游乐设施方面应用较少。

此检测受到铁磁构件内部残余应力与表面漏磁场之间对应关系的影响，并且受材质、残余应力大小、方向和外激励等因素的影响，其检测存在一定的容错率。该检测技术能够对大型结构件、承压部件等进行早期失效诊断分析，并在其他检测技术的辅助下，使检测结果更准确。

3结语

超声衍射时差法、超声相控阵检测、电磁超声检测、金属磁记忆检测等无损检测方法具有不同的特点和应用场合。这些非常规检测技术在结合传统检测技术的情况下，可以提高检出率和检测准确性，减少不确定性因子，使动态全局检测更加精准，并能在大型结构件无损探伤检测中得到广泛应用。

参 考 文 献

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[4]李友，曹海静，廉国选. 船舶大合拢交叉部位的TOFD检测方法[J].无损检测, 2011，33(4)：19-21.

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[6]靳世久,杨晓霞,陈世利,黄玉秋,郭薇. 超声相控阵检测技术的发展及应用[J].电子测量与仪器学报, 2014,28(9)：925-934.

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[14]杜波夫阿阿, 考罗考利尼柯夫С.М. 焊接缺陷的金属磁记忆法检测[J].焊管,2008(2):44-48.

李佳: 400074，重庆市南岸区七公里学府大道66号

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

*基金项目：

收稿日期：2016-02-23

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.005