無損檢測(cè)技術(shù)概念與分類

1. 無損檢測(cè)的概念與發(fā)展

　　無損檢測(cè)(Non-destructive Testing, NDT)是指在不損傷被檢測(cè)對(duì)象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶?duì)熱、電、聲、光、磁等反映的變化，來探測(cè)各類工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件和設(shè)備等內(nèi)部或表面缺陷，并對(duì)缺陷缺陷類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、分布及其變化等作出評(píng)估和判斷[1-5]。無損檢測(cè)技術(shù)有五大顯著特點(diǎn)[2]：(1) 不會(huì)對(duì)構(gòu)件造成任何損傷；(2) 為查找缺陷提供了一種有效方法；(3) 能夠?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；(4) 能夠防止因?yàn)闃?gòu)件失效英氣的災(zāi)難性后果，起到提前預(yù)防作用；(5) 廣闊的應(yīng)用范圍。由于上述顯著地特點(diǎn)，無損檢測(cè)技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，并且在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“質(zhì)量衛(wèi)士”。

　　以德國(guó)科學(xué)家倫琴1895年發(fā)現(xiàn)X射線為標(biāo)志，無損檢測(cè)作為應(yīng)用型技術(shù)性學(xué)科已有一百多年的歷史[2]。1900年法國(guó)海關(guān)開始應(yīng)用X射線檢驗(yàn)物品，1922年美國(guó)建立了世界第一個(gè)工業(yè)射線實(shí)驗(yàn)室，用X射線檢查鑄件質(zhì)量，以后在軍事工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，射線檢測(cè)至今仍然是許多工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段。進(jìn)入二十世紀(jì)后期，隨著世界科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，尤其以計(jì)算機(jī)和新材料為代表的新技術(shù)，極大的促進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，例如，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的介入，超聲成象技術(shù)異軍突起，使超聲檢測(cè)技術(shù)向數(shù)字成象自動(dòng)化方向發(fā)展。近十年來，無損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用還呈現(xiàn)出數(shù)字化、實(shí)用化、大型化和廣應(yīng)用化的發(fā)展趨勢(shì)。目前，無損檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石化、航空航天、船舶、兵器、汽車、鍋爐壓力容器、鐵路、道路、核工業(yè)、電力、冶金、水利、建筑等多個(gè)領(lǐng)域。

　　我國(guó)在1978年11月成立了我國(guó)全國(guó)性的無損檢測(cè)學(xué)術(shù)組織—中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測(cè)分會(huì)。我國(guó)無損檢測(cè)事業(yè)雖然起步較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其在無損檢測(cè)技術(shù)方法和檢測(cè)儀器方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。無論是無損檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，還是檢測(cè)儀器的數(shù)字化、智能化、圖象化、小型化和系列化工作都取得了很大發(fā)展。并且，已經(jīng)制訂了一系列國(guó)標(biāo)、部標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，引進(jìn)了ISO，ATSM、 DIN、SS、BS、NF、JIS等一百多個(gè)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)[3]。盡管如此，我國(guó)無損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)國(guó)外技術(shù)水平還存在較大的差距，尤其是在大型的高精尖檢測(cè)設(shè)備研發(fā)方面。

2. 無損檢測(cè)方法分類

　　目前，無損檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)主要有聲學(xué)類、射線類、光學(xué)類、電磁類、滲透類、熱學(xué)類及微波類等[1, 3, 5]，其中以聲學(xué)技術(shù)類和射線技術(shù)類應(yīng)用較為廣泛，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中。聲學(xué)類技術(shù)基礎(chǔ)無損檢測(cè)方法較常見是超聲檢測(cè)(Ultrasonic Testing)、聲發(fā)射檢測(cè)(Acoustic Emission Testing)、沖擊回波檢測(cè)(Impact Echo Testing)、聲全息成像檢測(cè)(Acoustical holographic imaging)等[6]；射線類技術(shù)基礎(chǔ)無損檢測(cè)方法主要有X射線(X-Radiation)、γ射線(γ-Radiation)和中子射線(Neutron Radiation )檢測(cè)等[1, 3]。光學(xué)技術(shù)類無損檢測(cè)方法主要是光全息檢測(cè)(Optical Holographic Testing)、散斑干涉檢測(cè)(Speckle Interferometry Testing)[1, 3]；電磁技術(shù)基礎(chǔ)類主要有渦流檢測(cè)( Eddy Current Testing )、復(fù)阻抗譜檢測(cè)( Impedance Spectroscopy Testing)、磁粉檢測(cè)(Magnetic Particle Testing)和漏磁檢測(cè)(Flux Leakage Testing )等[3]。此外，還有以滲透、熱學(xué)和微波為技術(shù)基礎(chǔ)的滲透檢測(cè)(Penetration Testing)、紅外檢測(cè)(Infrared Testing)和介電檢測(cè)(Dielectric Testing)等。

圖1 無損檢測(cè)分類

　　3. 主要檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

　　在上述檢測(cè)方法中，應(yīng)用廣泛的主要是聲學(xué)、射線、電磁學(xué)和滲透技術(shù)基礎(chǔ)的檢測(cè)方法[3, 7]。

　　(1) 超聲波檢測(cè)與檢測(cè)儀器

　　1912年超聲波技術(shù)較早在航海中用于探查海面上的冰山，1929年超聲波技術(shù)用于產(chǎn)品缺陷的檢驗(yàn)，并逐漸成為一種重要的無損檢測(cè)手段[6]。經(jīng)過近100年的發(fā)展，超聲檢測(cè)技術(shù)已成為無損檢測(cè)中應(yīng)用廣泛的方法之一。超聲波檢測(cè)原理是利用被檢測(cè)件材料及內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性能差異對(duì)超聲波在被檢測(cè)件內(nèi)反射、透射特性的影響，從而分析、判定材料內(nèi)部缺陷尺寸、分布等特征[3,6,8]。超聲波檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是金屬，如船舶、壓力容器、石油和天然氣管道等焊接質(zhì)量的檢測(cè)，鑄件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)等。我國(guó)在1957年就研制出了第一臺(tái)超聲波探傷儀，隨后在1964年研制出了第一臺(tái)管材超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)，1988年武漢中科研制了第一臺(tái)數(shù)字化超聲波探傷儀[4]。近年來隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要以及數(shù)字技術(shù)的飛速進(jìn)步，目前數(shù)字化超聲波檢測(cè)儀器得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用，并且緊隨西方等發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐，在數(shù)字化超聲技術(shù)基礎(chǔ)上也研發(fā)了可視化的相控陣、TOFD等超聲檢測(cè)儀器[9]。目前，國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)儀器生產(chǎn)廠家眾多，并且多家公司都開發(fā)有相控陣超聲成像和TOFD超聲檢測(cè)儀器。

圖2 (a) 超聲波相控陣掃描儀；(b) TOFD掃查系統(tǒng) 

       (2) 聲發(fā)射檢測(cè)與檢測(cè)儀器

　　聲發(fā)射技術(shù)作為一種檢測(cè)技術(shù)起步于50年代的德國(guó)[10, 11]，60年代該技術(shù)在美國(guó)原子能和宇航技術(shù)中迅速興起，并在玻璃鋼固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的檢測(cè)方面出現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的首例[11]，70年代，在日本、歐洲及我國(guó)相繼得到發(fā)展，80年代，聲發(fā)射技術(shù)開始獲得較為正確的評(píng)價(jià)，得到了許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用三個(gè)方面做了大量的工作，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。聲發(fā)射是指材料在受到外部載荷作用局部發(fā)生塑形變形，瞬間釋放出應(yīng)立波的物理現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理就是利用儀器檢測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)的一種檢測(cè)技術(shù)[12,13]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍已覆蓋航空、航天、石油、化工、鐵路、汽車、建筑、電力等許多領(lǐng)域，如飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)、石油管道和壓力容器泄露檢測(cè)以及電力中的放電、漏電檢測(cè)等。目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備廠家都較少，主要有美國(guó)物理聲學(xué)公司和北京聲華公司，其產(chǎn)品由已經(jīng)開始的單通道發(fā)展到16通道，而且還可以實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 

圖3 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

　　(3) 沖擊回波檢測(cè)與檢測(cè)儀器

　　上世紀(jì)80年代中期美國(guó)康奈爾大學(xué)Sansalone博士首次提出了沖擊回波檢測(cè)法[14, 15]，并在1992年研發(fā)了首款現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器，隨后被廣泛應(yīng)用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)中。與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，沖擊回波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是單面檢測(cè)；由于沖擊回波檢測(cè)技術(shù)發(fā)射信號(hào)頻率低，能量散射小，因此沖擊回波檢測(cè)技術(shù)另一優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大；沖擊回波檢測(cè)技術(shù)由于接收信號(hào)能量大、頻率低，在檢測(cè)面產(chǎn)生振動(dòng)所以不需要耦合劑，操作方便；研究還表明，沖擊回波檢測(cè)結(jié)果受混凝土結(jié)構(gòu)材料組分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況差異的影響小。

圖4 檢測(cè)原理示意圖：(a) 沖擊回波檢測(cè)技術(shù)；(b) 超聲波檢測(cè)技術(shù) 

　　沖擊回波檢測(cè)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚度、內(nèi)部缺陷檢測(cè)，如路面、機(jī)場(chǎng)跑道、底板、護(hù)坡、擋土墻、筏型基礎(chǔ)、隧道襯砌、大壩等只適于單面檢測(cè)的構(gòu)件。除此之外，該技術(shù)更重要的應(yīng)用是橋梁檢測(cè)，可以用于橋梁混凝土強(qiáng)度與損傷層分布檢測(cè)、橋梁鋼筋保護(hù)層厚度與內(nèi)部缺陷(裂縫、密實(shí)度、孔洞、蜂窩、彌析程度等)檢測(cè)、橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿密實(shí)度檢測(cè)、橋梁基樁內(nèi)部缺陷、斷層和縮頸檢測(cè)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，沖擊回波檢測(cè)儀器研發(fā)在國(guó)外已經(jīng)達(dá)到較高水平，典型代表是美國(guó)Olson公司研發(fā)的IES掃描式?jīng)_擊回波檢測(cè)系統(tǒng)。80年代末，南京水利科學(xué)研究院仿制了首款沖擊回波檢測(cè)儀，但由限于當(dāng)時(shí)理論水平不完善并未得到廣泛應(yīng)用，黯然退出市場(chǎng)。目前，國(guó)外主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)Olson和Impact-echo公司。近年，國(guó)內(nèi)也研發(fā)有沖擊回波檢測(cè)儀器，例如我司自主開發(fā)的SET-PD-11型沖擊回波檢測(cè)系統(tǒng)，其技術(shù)水平在檢測(cè)速度、厚度等超越了國(guó)外先進(jìn)的IES掃描式?jīng)_擊回波檢測(cè)系統(tǒng)。

　　(4) 射線檢測(cè)與儀器

　　自1911年德國(guó)米勒博士成功的研制世界第一只X光管開始，射線檢測(cè)開始起步，在第二次世界大戰(zhàn)期間得到快速發(fā)展，經(jīng)過近100年的發(fā)展，射線檢測(cè)已經(jīng)成為一門成熟的無損檢測(cè)技術(shù)，與超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)和滲透檢測(cè)并列為五大常用無損檢測(cè)技術(shù)[3]。射線檢測(cè)原理是利用各種射線源對(duì)材料的投射性能及不同材料的射線衰減程度不同，使底片感光成黑度不同的圖像來觀測(cè)，從而識(shí)別、判定材料內(nèi)部的缺陷。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，還發(fā)展了三維數(shù)字成像射線檢測(cè)系統(tǒng)，即工業(yè)CT[16]。根據(jù)射線源的不同又可以分為X射線、γ射線和中子射線檢測(cè)等[3]。射線檢測(cè)結(jié)果可以作為檔案資料長(zhǎng)期保存，檢測(cè)圖像較直觀，缺陷的尺寸和性質(zhì)易判定。正因如此，射線探傷在化工、煉油、礦山機(jī)械等大型設(shè)備制造以及航空航天等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。但是射線檢測(cè)需要面臨三個(gè)問題：首先是射線對(duì)人體的有害性，所以需要防護(hù)裝置；其次是對(duì)微小裂紋靈敏度較低；最后是檢測(cè)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他檢測(cè)方法。通常射線檢測(cè)設(shè)備由機(jī)頭、高壓裝置、供電控制系統(tǒng)、冷卻裝置和防護(hù)裝置構(gòu)成，此外還涉及到膠片、洗片機(jī)、增光計(jì)等一系列配套工具。1958年中國(guó)開始生產(chǎn)工業(yè)用射線檢測(cè)膠片，1960年研制了我國(guó)第一臺(tái)60Co源γ射線探傷機(jī)，1964年研制了第一臺(tái)X射線探傷儀[4]。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國(guó)射線探傷檢測(cè)技術(shù)無論在基礎(chǔ)研究還是儀器設(shè)備制造方面都取得了巨大進(jìn)步。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)射線檢測(cè)設(shè)備的廠家眾多，國(guó)外主要有美國(guó)核工業(yè)公司、日本理學(xué)電機(jī)、德國(guó)SEIFERT公司等，國(guó)內(nèi)射線檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家主要集中在東北地區(qū)，如遼寧儀表研究所。 

圖5 便攜式X射線檢測(cè)儀

　　(5) 渦流檢測(cè)與儀器

　　渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種無損檢測(cè)方法，該方法僅適用于導(dǎo)電材料。其基本原理是當(dāng)被檢測(cè)物(導(dǎo)體)置于交變激勵(lì)磁場(chǎng)(由線圈提供)之中時(shí)被檢測(cè)物產(chǎn)生與激勵(lì)磁場(chǎng)相垂直的、呈旋渦狀的感應(yīng)電流-渦流，而由于被檢測(cè)物各種因素(如形狀、尺寸、缺陷等)的變化使得渦流產(chǎn)生變化，渦流的變化又使得激勵(lì)

　　磁場(chǎng)發(fā)生變化，最終反應(yīng)到檢測(cè)儀器電路中的阻抗變化，通過阻抗的變化即可以識(shí)別、判定被檢測(cè)物內(nèi)的缺陷[17]。渦流檢測(cè)有幾個(gè)顯著地優(yōu)勢(shì)[3]：1) 儀器不需接觸工件，不需要耦合介質(zhì)；2) 對(duì)工件表面和近表面的缺陷敏感；3) 可在高溫狀態(tài)、工件深孔區(qū)域等進(jìn)行檢測(cè)；4) 可以檢測(cè)覆蓋有涂層的工件。自1879年英國(guó)人休斯首次將渦流檢測(cè)應(yīng)用到金屬檢測(cè)中開始，渦流檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了近130年的發(fā)展。我國(guó)渦流檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用起源于上世紀(jì)60年代，1962年研制了我國(guó)首臺(tái)渦流檢測(cè)檢測(cè)儀器，并得到了大范圍的推廣與應(yīng)用[4]。渦流檢測(cè)儀器主要有記錄分析裝置和探頭兩部分組成，探頭又有穿過式探頭、內(nèi)通式探頭和放置式探頭三大類。近年來，渦流檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到航空航天、電力、石化、冶金、機(jī)械、核工業(yè)等領(lǐng)域[18]，例如石油天然氣管道內(nèi)壁腐蝕與減薄。在渦流檢測(cè)設(shè)備開發(fā)方面，由最原始的分立式已經(jīng)發(fā)展到智能化、數(shù)字化、多通道，并且具備頻譜分析、渦流成像等功能。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多，市面上國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品以廈門渦流檢測(cè)技術(shù)技術(shù)研究所、南京潤(rùn)奇、愛德森居多。

圖6 便攜式渦流檢測(cè)儀

　　(6) 磁粉檢測(cè)與儀器

　　磁粉檢測(cè)是一種直觀、快捷、方便的無損檢測(cè)方法，被廣泛應(yīng)用于焊接件和大型鑄件等質(zhì)量檢測(cè)。磁粉檢測(cè)的基本原理是待檢測(cè)工件(鐵磁性材料)被磁化后，由于工件本身缺陷等的存在使得工件表面或近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附噴涂在工件表面的磁粉時(shí)，在合適的條件下可以觀察到磁痕，從而顯示出工件表面或近表面缺陷的位置、大小和形狀等。磁粉檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)主要有：1) 直觀顯示缺陷形狀、位置和大?。?) 靈敏度高，可以檢測(cè)出微米級(jí)別的缺陷；3) 基本不受工件尺寸和形狀的限制；4) 檢測(cè)成本低。但同時(shí)，磁粉檢測(cè)也存在一些不足，主要是待檢測(cè)工件的限制和檢測(cè)厚度。在所有現(xiàn)代無損檢測(cè)方法中，磁粉檢測(cè)在我國(guó)是最先使用的檢測(cè)方法，其年代可以追溯到上世紀(jì)40年代初，并在1958年研制出了我國(guó)第一臺(tái)便攜式磁粉探傷儀。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)磁粉探傷儀和相關(guān)配套產(chǎn)品的廠家多大200多家，并且隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，磁粉檢測(cè)儀也開始進(jìn)入自動(dòng)化和圖像化。 

圖7 磁粉檢測(cè)儀

　　(7) 滲透檢測(cè)

　　滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)管作用原理為基礎(chǔ)的檢查表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法，該方法使用方便，成本低廉，被廣泛應(yīng)用到鑄造、焊接工件缺陷檢測(cè)?！坝?白法”被公認(rèn)為滲透探傷中較早的方法，在上世紀(jì)30年代我國(guó)就開始應(yīng)用該方法檢測(cè)機(jī)械零部件缺陷。這種方法是將潤(rùn)滑油稀釋在煤油中獲得一種混合液作為滲透液，將零件浸入滲透液一定時(shí)間，然后用浸有煤油的布將零件表面擦拭干凈，再涂上一種白粉加酒精的懸浮液，待酒精揮發(fā)后，在在百色背景上的零件表面開口缺陷處會(huì)出現(xiàn)深黑色的缺陷痕跡。上世紀(jì)30到40年代，美國(guó)人對(duì)滲透液進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了多類型的滲透液，并且隨著滲透檢測(cè)的廣泛應(yīng)用制定了相應(yīng)的滲透檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。近年來，滲透檢測(cè)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，各種專用的清洗、滲透、顯像試劑和輔助工具相繼出現(xiàn)，極大提高了滲透檢測(cè)的可靠性和快捷性。 

圖8 滲透檢測(cè)用試劑

4. 主要檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

典型應(yīng)用(1) Typicalapplications(1)

三峽大壩混凝土CT檢測(cè) (2001年)

(CT detection for Three Gorges Dam, 2001)

典型應(yīng)用(2) Typicalapplications(2)

杭瑞高速北盤江大橋，垂直高度565米，世界第一高橋檢測(cè)

　　3、裝配式建筑關(guān)鍵結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)（Nondestructive detection for prefabricatedconcrete）

鋼筋套筒連接灌漿

　　5. 總結(jié)

　　無損檢測(cè)技術(shù)作為一種重要的檢測(cè)手段，應(yīng)用廣泛，并有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)，除了傳統(tǒng)的金屬材料，土木建筑工程中已經(jīng)開始大范圍應(yīng)用無損檢測(cè)方法檢測(cè)工程質(zhì)量，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)編制。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要和技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍無論在深度還是廣度上都將會(huì)近一步擴(kuò)大。同時(shí)，相對(duì)西方發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)對(duì)無損檢測(cè)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)，儀器設(shè)備開發(fā)方面也需要大力改進(jìn)以取代相關(guān)進(jìn)口產(chǎn)品。

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