无损检测大作业-小论文

南京航空航天大学无损检测技术报告

无损检测技术在道桥领域的应用简介

（南京航空航天大学机电学院,南京市，210016）

摘要：本文简要介绍了当前无损检测领域中常用技术，如超声、射线、渗透、涡流、磁粉等常规无损检测技术，举例具体说明了超声波在道桥中的应用情况，并分析了超声波无损检测技术在道桥工程应用中所存在的困难与问题，以及预测道桥无损检测技术今后的发展趋势。关键词:无损检测技术；超声波；道桥；应用与发展

Introduction to NDT technology in the field of bridge

Wang Yan

（ College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics ＆Astronautics, Nanjing, 210016, China）Abstract：This article briefly describes the current commonly used in the field of non-destructive testing techniques, such as ultrasound, radiation, penetration, eddy current, magnetic and other conventional NDT techniques，specific illustrates the application of ultrasound in bridge, and analyze the ultrasonic nondestructive testing technology in road difficulties and problems that exist in bridge engineering applications, as well as non-destructive testing techniques to predict bridge future trends.

Key words：NDT technology; ultrasound; bridge; application and development

1.引言

无损检测技术(Nondestructive Testing, NDT)是一门新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或损坏被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表而缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价[1]。

近20年来，在我国的道桥建设飞速发展的同时，也有大批既有道路与桥梁相继进入老化时期。为此，为了确保道桥结构的安全运营，对道桥检测工作提出了更高的要求，道桥检测工作亦由此愈发显得重要。目前国内外在道桥检测方面继出现了许多现代检测技术与检测方法，其中比较具代表性的，国内外学者关注最多的是桥梁的健康诊断无损检测。道桥的无损检测技术的发展始于20世纪30年代初，目前已形成了一套较完整的无损检测体系[2]。文中扼要地介绍了超声波无损检测技术在道桥检测中的具体应用。

2. 无损检测及其新技术

1.1常规无损检测方法

无损检测技术是产品质量控制中不可缺少的基础技术，随着产品复杂程度增加和对安全性的严格要求，无损检测技术在产品质量控制中发挥着越来越重要的

作用，目前常规无损检测方法主要有超声检测、射线照相检测、液体渗透检测、涡流检测、磁粉检测等5种。

1.1.1超声检测

超声检测(Ultrascavic; Testing, UT)是利用超声波在介质中传播时产生衰减，遇到界而产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法.该方法具有灵敏度高、指向性好、穿透能力强、检测速度快的优点.超声检测是无损检测中应用最为广泛的方法之一，适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属，都可以采用超声法进行检测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器等.就物理性能而言，用超声法可以检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等，但无法检测表而和近表而的延伸方向平等于表而的缺陷、表而粗糙、形状复杂的试件，此外，该方法对缺陷的定性、定量表征常常不准确.超声检测常使用的超声探伤仪、探头、祸合剂等。

1.1.2射线检测

射线检测(Radiographic; testing, RT)是基于被检测件对透入射线(无论是电磁辐射还是粒子辐射)的不同吸收来检测零件内部缺陷的检测方法，工业应用的射线检测技术主要用X射线、中子射线，使用得最广泛的是X射线照相检测。射线检测技术可划分为4部份：射线照相检测技术，射线实时成像检测技术，层析射线检测技术和辐射测量技术。射线检测技术几乎适用于所有材料，能直观地显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量分析，射线底片可长期保存，对体积型缺陷比较灵敏，但难于发现垂直射线方向的薄层缺陷，检测费用较高，同时射线对人体模型有害，需作特殊防护.射线检测技术一般适用于检测焊缝和铸件中存在的气孔、夹渣、密集气孔、冷隔和未焊透、未熔合等缺陷。

1.1.3渗透检测

渗透检测((Penetrant Testing, PT)是最早使用的无损检测方法之一，它基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表而开口缺陷，其方法是将液体渗透液渗入工件表而开口缺陷中，用去除剂清除多余渗透液后，用显像剂表示出缺陷，包括预处理、渗透、去除、干燥、显像、检验和后处理共7个步骤。渗透检测方法简单，成本低廉，缺陷显示直观，检测灵敏度高，可检测的材料与缺陷范围广，一次操作可检测多个零件，但只能检出零件的表而开口的缺陷，不适用于多孔性材料的检测，对零件和环境有污染.渗透检测适用于各种锻件、铸件、焊接件、机架工

件、陶瓷、塑料、玻璃制品的表而裂纹、折叠、冷隔、疏松等缺陷的检测。

1.1.4涡流检测

涡流检测(Eddy Current Testing, ET)是基于电磁感应原理揭示导电材料表而和近表而缺陷的无损检测方法。涡流检测速度快，特别适合管、棒材的检测，对于表而和近表而缺陷有较高的灵敏度，可对大小不同的缺陷进行评价，能在高温状态下进行探伤，可用于异形材和小零件的检测，不仅适用于导电材料的缺陷检测，而且可检测材料的电导率、磁导率、热处理状况、硬度和几何尺寸等，使用广泛.根据不同的检测口的，可采用涡流电导仪、涡流探伤仪、涡流测厚仪等不同类型的仪器。涡流检测自动化率较高，但只能检测导电材料，难以判断缺陷种类，灵敏度相对较低。

1.1.5磁粉检测

磁粉检测(Magnetic Particle Teaing, MT)是基于缺陷处漏磁场与磁粉的相互作用而显示铁磁性材料表而和近表而缺陷的无损检测方法，包括预处理、磁化工件、施加磁粉或磁悬液、磁痕分析和评定、退磁、后处理等6个基本步骤，磁粉检测技术可用于检测裂纹、折叠、夹层、夹渣等。磁粉检测设备简单、操作方便，观察缺陷直观快速，能确定缺陷的位置、大小和形状，有较高的检测灵敏度，尤其对裂纹特别敏感，但只能检测铁磁材料，探伤前必须清洁工件，某些应用要求探伤后给工件退磁.磁粉检测虽然古老，但经久不衰，由于该方法操作简便、直观，结果可靠，速度快，价格低廉等优点，仍被航空、航天、机械、冶金、石油等各行业广泛应用[3]。

1.2无损检测新技术

20多年来，随着工业生产和科学技术的进步，无损检测技术也得到飞速发展，不仅超声、射线等传统的检测技术青春长存，而且还产生了像激光全息干涉、电子剪切成像、激光超声、红外、声发射、微波、远场涡流、电磁超声、磁记忆、超声相控阵等众多的无损检测新方法、新技术[4]，它们中的大部份在短时间内就在工业生产中得到应用。

1.2.1超声相控阵技术(Ultrasonic; Phased Array Technology)

超声检测是应用最广泛的无损检测技术，具有许多优点，但需要祸合剂和换能器接近被检材料，因此，超声换能、电磁超声、超声相控阵技术得到快速发展，其中，超声相控阵技术是近年来超声检测中的一个新的技术热点[5]，超声相控阵技术使用不同形状的多阵元换能器来产生和接收超声波波束，通过控制换能器阵

列中各阵元发射(或接收)脉冲的时间延迟，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方向的变化，然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像[6]与传统超声检测相比，由于声束角度可控和可动态聚焦，超声相控阵技术具有可检测复杂结构件和盲区位置缺陷和较高的检测频率等特点，可实现高速、全方位和多角度检测.对于一些规则的被检测对象，如管形焊缝、板材和管材等，超声相控阵技术可提高检测效率、简化设计、降低技术成本.特别是在焊缝检测中，采用合理的相控阵检测技术，只需将换能器沿焊缝方向扫描即可实现对焊缝的覆盖扫查检测。

1.2.2激光无损检测(Laser NDT)

由于激光具有单色性好、能量高度集中、方向性很强等特点，其在无损检测领域的应用不断扩大，并逐渐形成了激光全息、激光散斑、激光超声等无损检测新技术.激光全息是激光无损检测中应用最早、最多的一种方法，其基本原理是通过对被测物体施加外加载荷，利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点，通过加载前、后所形成的全息图像的迭加来判断材料、结构内部是否存在不连续性.作为一种干涉计量术，激光全息技术可以检测微米级的变形[7]，灵敏度极高，具有不需接触被测物体，检测对象不受材料、尺寸限制，检测结果便于保存等优点，已应用在复合材料、印制电路板、飞机轮胎等的缺陷检测中。激光散斑技术是利用激光照射被检物时的散射形成的自相干技术，通过被检物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在有缺陷部位形成干涉条纹。激光散斑干涉检测技术始于轮胎检测，口前主要是应用于对复合材料[8]蜂窝夹层、火药柱包覆竿的检测.可检缺陷类型包括分层、脱粘、冲击损伤和孔洞等.激光散斑干涉技术受外界干扰小，检测速率高，便于在现场使用。

应用激光可实现非接触式的高灵敏度测量，但不能通过非透明材料的内部，而超声波却可以.激光超声技术是近年无损检测领域中迅速发展并得到工程应用的一项十分引人注口的新技术[5]。其基本原理是使激光与被测材料直接作用激发出超声波，或利用被测材料周围的物质作为中介来产生超声波，然后运用表而栅格衍射、反射等非干涉技术或差分、光外差等干涉技术，利用激光检测所产生的超声波，从而确定被测材料的缺陷[9]激光超声技术不使用祸合剂，有极强的抗干扰能力，易于实现远距离的遥控，可以在恶劣环境中进行检测，并能实现工件的在线检测，具有快速、非接触、不受被检对象结构形状影响的特点，口前已在航空领域得到较好的应用。

1.2.3红外无损检测( Infrared NDT)

红外检测是基于红外辐射原理，通过扫描记录或观察被检测工件表而上由于

缺陷所引起的温度变化来检测表而和近表而缺陷的无损检测方法，可分为有源红外检测(主动红外检测)和无源红外检测(被动红外检测).红外检测的主要设备有红外热像仪、红外探测器等.红外检测具有非接触、遥感、大而积、快速有效、结果直观的优点。

红外热波技术(Infrared Thermal Wave NDT)是最新发展起来的一种无损检测技术，受到国内外的广泛关注。它是一种利用红外热成像技术，通过主动式受控加热来激发被检测物中缺陷的无损检测.该方法使用大功率闪光灯、超声波、激光、微波和电磁感应等作为热源，具有适用而广、速度快、直观、可定量测量等特点.关国、俄罗斯、加拿大等国已将红外热波检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测、Atlas空间发射舱复合的脱粘检测、A3火箭无损检测[10]。作为一项通用技术，红外热波无损检测具有很强应用性和可拓展性，有着十分广泛的应用前景。

1.2.4微波无损检测( Microwave NDT)

微波无损检测技术将在330一 3 300 MHz中某段频率的电磁波照射到被测物体上，通过分折反射波和透射波的振幅和相位变化以及波的模式变化，了解被测样品中的裂纹、裂缝、气孔等缺陷，确定分层媒质的脱粘、夹杂等的位置和尺寸，检测复合材料内部密度的不均匀程度。

微波的波长短、频带宽、方向性好、贯穿介电材料的能力强，类似于超声波.微波也可以同时在透射或反射模式中使用.但是微波不需要祸合剂，避免了祸合剂对材科的污染.由于微波能穿透声衰减很大的非金属材料，因此该技术最显著的特点在于可以进行最有效的无损扫描。微波的极比特性使材料纤维束方向的确定和生产过程中非直线性的监控成为可能.它还可提供精确的数据，使缺陷区域的大小和范围得以准确测定.此外，无须做特别的分析处理，采用该技术就可随时获得缺陷区域的三维实时图象。微波无损检测设备简单、费用低廉、易于操作、便于携带。但是由于微波不能穿透金属和导电性能较好的复合材料，因而不能检测此类复合结构内部的缺陷，只能检测金属表而裂纹缺陷及粗糙度。

近年来，随着军事工业和航空航天工业中各种高性能的复合材料、陶瓷材料的应用，微波无损检测的理论、技术和硬件系统都有了长足的进步，从而大大推动了微波无损检测技术的发展。

2. 超声成像法管道注浆质量检测中的应用与问题

2.1应用

2.1.1超声波检测原理

超声检测反射方法是超声检测方法中最基本的一种方法。正如所知道，超声波在从一种介质向另一种介质中传播的时候，在通过声阻抗不同的结构界面时会发生较强的反射，超声波在注浆管道里传播发生散射，衍射，折射等现象，若预应力管道内存在孔隙、空洞、不密实等缺陷时会使接收到的超声波波形发生畸变。通过对接收到的波形数据进行振幅、相位、速度等方面的分析，可以定性判断缺陷的有无；通过致力科技自主研发的反演软件进行二维或三维成像，可准确定位缺陷位置和判定缺陷大小形态。反射法是在试件的一侧发射和接收声波信号，可以用一个兼有收发功能的换能器，也可以分别用两个换能器发射和接收。当试件中没有缺陷时，接收到的就只有上表面反射波A和下表面反射波L两个信号；当试件中存在缺陷时，除了观测到在上表面回波A和下表面反射波L之外，还会出现来自缺陷的反射波信号D，如图1所示。缺陷反射波的幅值的大小，由缺陷的反射面积和方向角的大小决定，由此即可分析出缺陷的性质。由于缺陷发射了部分的超声能量，使底面反射波幅值减小。若混凝土试件的材质较好，并使用恰当的传感器，利用这种方法能够观测到很小的缺陷反射波信号，灵敏度很高。

图1超声波反射波法检测原理

2.1.2桥梁预应力压浆管道超声检测方法

在进行桥梁预应力压浆管道的检测时，要沿垂直于压浆管道的方向进行超声波测试，测线间距一般选择为10～30cm，测线布置如图2所示。以梁体中心为参考点，依次向两边布置测线。每条测线的测量数据均可进行二维SAFT成像，用所有测线的数据可以进行三维SAFT成像。图2检测测线布置示意图Figure2Thedetectionsurveylinediagram 测量仪器为致力科技自主研发的预应力桥梁管道注浆质量检测仪（BQT-G1），该仪器采用低频超声阵列检测预应力桥梁管道注浆缺陷。在测试过程中，所有的换能器依次作为震源，每次都是一个换能器发射，所有换能器接收。其原理如图3所示。

2.1.3工程检测实例

某梁场由于压浆工艺不完善和施工过程控制不严格，导致预应力压浆管道端口处压浆不密实。为了检测压浆孔道内部不密实的程度，首先根据施工图纸标出波纹管的走向，然后沿着垂直波纹管走向进行了检测。根据现场采集到的数据，利用SAFT成像方法，得到了如图4所示的结果[11]。

2.2存在问题

虽然超声波可以应和于桥梁的综合检测和维修，可以对桥的梁、板以及桩等结构进行检测，以确定管道中是否存在空隙，进而可以及时进行灌浆修补，但是该项检测技术也有许多有待改进和完善的地方，如管道相交或相邻时对检测的影响；管道中有蜂窝体、水或部分空气时对结果的影响；采用别的材料的管道对检测的影响；该项检测技术在检测道路路基密实性等问题有待进一步的研究[12]。

3. 道桥无损检测技术的发展趋势

无损检测技术在道桥工程中的应用，经历了相当长的一段时期，就像其它的技术一样也经历了研究、开发、应用等不同阶段。但是无损检测技术的研究，开发和应用必竟是一个相对较新的领域，其中不仅有许多急待解决的技术问题，同时其应用领域也有待于进一步地开拓。

无损检测技术是多学科综合的一门应用技术，是建立在基础学科的基础之上的，因此要使该项技术得以快速发展，必须首先加强各相关基础学科的研究，只有从基础理论中不断吸收养分，无损检测技术才能不断完善和发展。在无损检测技术的研究中，应善于把基础理论与工程实践结合起来，建立起理论研究与工程应用联系的桥梁，这样才能完善现有的方法。开辟新的应用领域和检测内容是无损检测技术研究的另一个方面，在道桥工程的应用中除了用于主要结构的检测外，还应将其用于路线的勘测设计、路线的横断面设计以及纳入桥梁的设计等。

4. 结语

随着我国大规模的交通建设，一些已建的高等级道路以及一些大型的桥梁、隧道等结构的使用安全性问题也显得日益突出，为此，为无损检测技术的发展提供了很好的发展市场，同时也为无损检测技术的应用提出了更高的要求。因此，无损检测技术的研究与开发具有广阔的前景。

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