无损检测技术综述
无损检测技术原理与应用
安全工程1401班2014074201
1无损检测技术的定义及发展概况
随着中国科学和工业技术的发展，高温、高压、高速度和高负荷已成为现代化工业的重要标志。但它的实现是建立在材料高质量的基础之上的。必须采用不破坏产品原来的形状，不改变使用性能的检测方法，以确保产品的安全可靠性，这种技术就是无损检测技术。无损检测技术不损害被检测对象的使用性能，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料，零部件，结构进行有效地检验和测试，借以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理信息。目的是为了评价构件的允许负荷、寿命或剩余寿命，检测设备在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，以便及时发现问题，保障设备安全[1]。
无损检测技术是机械工业的重要支柱，也是一项典型的具有低投入、高产出的工程应用技术。可能很难找到其他任何一个应用学科分支，其涵盖的技术知识之渊博、覆盖的基本研究领域之众多、所涉及的应用领域之广泛能与无损检测相比。美国前总统里根在发给美国无损检测学会成立20周年的贺电中曾说过，(无损检测)能给飞机和空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更高的可靠性，没有无损检测(美国)就不可能享有目前在飞机、船舶和汽车等众多领域和其他领域的领先地位。作为一门应用性极强的技术，只有与国家大型工程项目结合，解决国家大型和重点工程项目中急需解决的安全保障问题，无损检测技术才能有用武之地和广阔的发展空间[2]。
我国无损检测技术的快速发展得益于经济的快速发展和国家综合实力的快速增强。近十年来，我国经济一直处于快速发展期，无损检测事业也处于蒸蒸日上
的局面，其总体形势和水平已是十年前无法比拟。在我国各工业部门和国防单位，我国无损检测工作者取得了令世人瞩目的成绩[2]。
2无损检测技术的基本类型及其原理
目前常用的无损检测类型主要有超声检测技术、射线检测技术、磁粉检测技术、渗透检测和红外检测技术五种，本文选取其中3种检测技术对其基本原理和应用进行简单的讲述，选取超声波检测技术和红外检测技术这两种检测技术进行较为详细的论述。
2.1超声检测技术
超声检测技术主要是检测设备构件部及表面缺或用于压力容器或管道壁厚的测量等，能有效的发现对焊缝部埋藏缺陷和压力容器焊缝表面裂纹，而且可测出焊缝缺陷的自身高度。由于超声探伤仪器体积小、质量轻，便于携带和操作，适合在多种工况下工作，因此在过程设备检验中得到广泛应用。超声检测技术主要有以下几种方法：（1）共振法：通过调整超声波的发射频率，以改变发射到工件中超声波的波长，并使工件的厚度为超声波半波长的整数倍时，入射波和反射波相互叠加便产生共振。根据共振时谐波的阶数以及超声波的波长，就可测出工件的厚度。（2）穿透法：将两个探头分布置于被测试件相对的两个侧面，一个探头用于发射超声波，另一个探头用于接收透射到另一侧面的超声波，并根据所接受超声波的强弱来判断工件部是否有缺陷。（3）脉冲反射法：将具有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被测工件，当超声波在工件部遇到缺陷时，就会产生反射，根据反射信号的时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷的大小和深度。（4）液浸法：在探头与工件之间填充一定厚度的液体耦合剂，使探头发射的声波经过液体耦合层后，再入射到工件中去。由于探头与工件不直接接触，
声波的发射和接收都比较稳定[1]。
2.2射线检测技术
射线检测是工业无损检测的一个重要专业门类。在过程设备的无损检测中占有重要的地位，一般用于检测焊接和铸件中存在的气孔、密集气孔、夹渣和未融合、未焊透等缺陷，不适用于锻件、管材、棒件的检测[3]。利用射线穿过材料或工件时的强度衰减，检测其部结构不连续的技术成为射线检测。当射线入射到物体时，射线的光子将与原子发生一系列相互作用，导致透射射线减弱，低于入射射线强度，即射线在穿过物体时强度发生了衰减。如果物体局部区域存在缺陷，它将改变物体对射线的衰减，即可判断物体中是否存在缺陷。射线检测技术可分为以下两类：（1）CR技术：基于某些荧光发射物质具有的保留潜在图像信息能力，这些荧光物质在较高能带俘获的电子形成光激发射荧光中心，在激光激发下，光激发射荧光中心的电子将返回它们的初始能级，并以发射可见光的形成输出能量。这种光发射与原来接收的射线剂量成正比。这样，当激光束扫描存储荧光成像板时，就可得到射线照相图像。（2）射线实时成像检验技术：射线实时成像检验系统有多种，主要是图像增强器、成像板和线阵列射线实时成像检验系统等。成像板和线阵列射线实时成像系统使用基于非晶硅的闪烁检测器和荧光光电培增器制成的成像板或线阵列拾取信号，具有很高的分辨力和很大的动态围，可检验厚度差或密度差很大的物体。
2.3磁粉检测技术
磁粉检测技术是应用较早的一种无损检测方法。它具有设备简单、操作方便、检验速度快、观察缺陷直观和有较高的检测灵敏度等优点。主要用于压力容器的在役维修、定期检验及在线监护检测等方面，目的是保障使用安全以及预防事故
发生。磁粉检测是利用磁粉的聚集显示磁性材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检测方法[4]。磁粉检测法只适用于检测铁磁性材料。由于铁磁质具有磁畴结构，在外磁场的作用下，磁畴从无序状态转变为有序状态，从而显示出很强的磁性。外磁场除去后，铁磁质仍能保留部分磁性。磁粉检测法可以检测铁磁性材料和构件表面或近表面的缺陷，对裂纹、折叠、夹层等缺陷较为灵敏。一般来说，采用交流电磁化可以检测表面下2mm以的缺陷，采用直流电磁化可以检测表面下 6 mm以的缺陷[1]。
2.4渗透检测技术
渗透检测是一种检验材料表面和近表面开口缺陷的无损检测技术，可有效应用于检验非多孔性的金属与非金属材料。它几乎不受被检验部件的形状、大小、组织结构等因素的限制，主要用于设备表面缺陷的检测，如表面裂纹、熔合不良、气孔等。渗透的检测方法可分为以下几类。（1）着色检测法：因其渗透液为着色渗透液而得名。着色渗透液的主要成分是红色染料、溶剂和渗透剂。这种方法要求渗透液具有渗透力强、渗透速度快、色深而醒目、洗涤性好、化学稳定性好、对受检材料无腐蚀性、无毒等特性。（2）荧光检测法：所用渗透液中含有至少两种荧光物质，缺陷的观察采用紫外线光源，使渗入缺陷的荧光物质激发出荧光以发现缺陷，因而对荧光渗透液的要荧光亮度高、渗透性好、检测灵敏度高、易于清洗、无毒无味、不腐蚀材料等。荧光液主要由荧光材料、溶剂、渗透剂以及适量的表面活性剂、助溶剂、增光剂和乳化剂等组成。（3）其他渗透检测方法：除了常用的荧光法和着色法外，还有着色荧光法、冷光法、化学反应法、液晶渗透法、静电喷涂法、真空渗透法、超声振荡法等新方法[1]。
3两种重要的无损检测技术的原理和应用
3.1超声检测技术
3.1.1超声检测技术的基本原理
众所周知，20～20000Hz为声波的频率围，频率高于20000的机械波为超声波。超声波的穿透本领很大，在液体、固体中衰减很小，能传播几十米，不同的介质声阻抗不同，遇到杂质或媒质分界面有显著的反射。超声波在介质中的传播特性，如波速、衰减、吸收等都与介质的各种宏观的非声学的物理量有着密切的关系，如声速与介质的弹性模量、密度、温度等有关；声强的衰减与材料的空隙率、粘滞性等有关。通过各种对超声传播特性中特征信息量的提取，可实现非声量检测, 如浓度、密度、强度、硬度、湿度、流量、物位、厚度、弹性的测量，还能对物体的缺陷进行检测和探伤，对材料进行物性评价。超声波频率越高，波长越短，扩散角越小，声束越窄，能量越集中，分辨率越高，对缺陷的定位越准确。高频超声波传播特性是方向性好，能定向传播。频率在0. 5～20M Hz以上，主要用于金属材料工件的超声检测。混凝土等非金属材料的超声检测应选用较低频率的超声波，常用频率为20～500KHz，因为混凝土为非均匀材料，散射作用使材料对声波的衰减较大，方向性差，频率越高，传播距离越小，绕过颗粒的能力越差。超声检测系统重要部件—探头（换能器）是压电晶片，是一种具有逆压电效应的压电元件，其在交流电作用下产生机械振动。材料包括石英晶体、PZT （锆钛酸铅）和偏铌酸锂等。种类繁多, 在不同场合需要用不同形式、不同频率的探头[5]。
3.1.2超声检测技术的应用领域
金属材料的检测：主要为超声回波反射法。用于铸件、型材、焊缝、石油化
工工业中的厚壁容器的检测。如板材厚度检测，钢管厚度测量。管道环焊缝检测：20世纪90年代采用相控阵超声探伤技术，多压电元件相控阵探头，用电子方法依次激励压电元件，用可变延迟元件依次错开压电元件的相位，能任意改变合成波的方向。
复合材料检测：碳纤维复合板材的分层、夹杂、孔洞和裂纹的检测。胶接结构的强度检测：所有的飞机、导弹结构中有一部分胶接组件，若能无损检测胶接强度意义重大[5]。
非金属材料检测：混凝土超声检测。由于混凝土为非均匀性材料，散射作用使材料对声波的衰减较大，方向性差，应选用较低频率的超声波，用透射法。本实验室用超声检测法进行了实际工程项目的混凝土质量检测，取得了良好的实验效果。
高温材料检测：钢胚探伤，用高压水耦合法或电磁超声法。80年代初冶金部研制的电磁超声装置可测750～1000℃高温[9]。
3.2红外检测技术
3.2.1红外检测技术的基本原理
任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能。而且，物体的温度越高，发射的红外辐射能量就越强。在生产过程与物体运动过程中，热和温度的变化无处不在，温度检测与控制是生产正常进行的重要保证。当设备生产故障时，如磨损、疲劳、破裂、变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、松动、熔融、材料劣化、污染和异常振动等，绝大部分都直接或间接的会引起温度的相关变化。设备的整体或局部的热平衡也同样要受到破坏或影响，通过热的传播，造成外表温度场的变化。因此，不同的温度分布状态与设备运行状态紧密相关，包含了设
备运行状态的信息。红外检测技术正是通过对这种红外辐射能量的测量，测出设备表面的温度及温度场的分布，通过对被测对象红外辐射特性的分析，就可以对其热状态做出判断，进而确定被测对象的实际工作状态，这就是红外检测技术的基本原理[6]。
3.2.2红外检测技术的应用领域
复合材料检测：红外无损检测技术不仅可检测金属、非金属材料部缺陷，尤其对蜂窝材料、碳纤维和玻璃纤维增强型多层复合材料的检测、损伤判别与评估，优于其他检测方式。既可测量材料厚度和各种涂层、夹层厚度，又可进行表面下材料和结构特征识别[8]。
航空航天检测：应用红外无损检测技术在实验室中对复合材料缺陷进行研究的目的是将其广泛应用于在线、在役检测大型设备。
电力系统检测：我国电力系统是研究开发与应用红外热成像无损检测技术较早的行业。主要用于电力设备裸露载流导体和接头热状态的检测，如高压输电线路压接管、线夹、高压变电站的母线接头、高压变压器套管接头、配电线路接头和配电变压器接头等等。并定期用红外热像仪对电力设备进行在线检测，找出不良的电气接头，及时维修以防止电气设备发生火灾，并减少电气设备的突发性事故。
建筑物外墙饰面检测：经过几年的研究工作和实际工程应用，红外热像法检测建筑物外墙饰面施工质量检测技术已趋成熟，相应的技术标准已通过中国建筑科学研究院组织的技术审查。当外墙饰面材料发生空鼓时，在其空鼓的位置就会形成很薄的空气层，由于这个空气层有很好的隔热性能，所以饰面材料空鼓部分使外墙饰面和建筑结构材料之间的热传递就变得很小。日照时外墙表面温度会升
高，此时，由于空鼓的隔热作用，空鼓部位的热量未及时传递给饰面基底（墙体），所以温度比正常部位的温度要高；当外墙表面日照减少时，与上述情况正好相反，表面温度会降低，空鼓部位的温度比正常部位的温度低。红外热相法就是根据这个原理，通过外墙表面温度场的变化来判断饰面工程质量的。
医疗卫生检测：当人体患病或某些生理状况发生变化时，全身或局部的热平衡受到破坏或影响，于是在临床上表现为组织温度的升高或降低。1971年在国际医学生物工程学会议上，正式提出了医用热像图摄影装置。1979年宗桥发表了第一篇国产热像仪临床应用的报道，此后，医用红外热像技术广泛应用于生物医学等领域[7]。
4无损检测技术未来展望
随着计算机技术的发展，无损检测技术得到突飞猛进的发展，超声成像技术，工业计算机断层扫描技术等就是它们相互接合的结晶，无损检测技术已明显的表现出下列发展趋势。（1）由定性检测向定量检测和直接显示缺陷图像的方向发展。（2）在线自动化检测和仪器智能化.（3）与断裂力学相结合，对重要工程构件的寿命进行评价。（4）和材料的物性评价相结合，在新材料的设计、加工和工程应用中得到迅速发展。
无损检测技术水平从某种意义上讲，可以作为衡量国家经济发展程度以及现代科学技术水平的标志之一。为了确保过程设备安全运行，应该对设备进行经常性的检测。除宏观检测外，需采用多种无损检测方法。由于各种检测方法都有其适用围和特定的检测对象，在设备的检测过程中，应该综合利用各种检测方法的优点和互补性，最大程度的提高设备缺陷的检出率[1]。