无损检测无损检测技术应用及发展

无损检测技术应用
及发展
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无损检测技术应用及发展
无损检测技术即非破坏性检测，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。

无损检测与无损评价技术是在物理学、材料科学、断裂力学、机械工程、电子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科的基础上发展起来的一门应用工程技术。

随着现代工业和科学技术的
发展，无损检测与无损评价技术正日益受到各个工业领域和科学研究部门的重视，不仅在产品质量
控制中其不可替代的作用已为众多科技人员和企业界所认同，而且对运行中设备的在役检查也发挥
着重要作用。

应用领域
无损检测技术在食品加工领域，如材料的选购、加工过程品质的变化、流通环节的质量变化等
过程中，不仅起到保证食品质量与安全的监督作用，还在节约能源和原材料资源、降低生产成本、
提高成品率和劳动生产率方面起到积极的促进作用。

作为一种新兴的检测技术，其具有以下特征：
无需大量试剂；不需前处理工作，试样制作简单；即使检测，在线检测；不损伤样品，无污染等等.
无损检测技术在工业上有非常广泛的应用，如航空航天、核工业、武器制造、机械工业、造船、石油化工、铁道和高速火车、汽车、锅炉和压力容器、特种设备、以及海关检查等等。

无损检测技术进展
进入21世纪以后，随着科学技术特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神经网络
技术和机电一体化技术的大发展，无损检测技术获得了快速进展。

在射线检测方面，射线成像和缺陷自动识别技术、射线计算机辅助成像技术（CR）、射线实时
成像技术（DR）和射线断层扫描技术（CT）都获得了广泛的应用。

检测集装箱的快速X射线实时成
像系统、以X射线、γ射线、直线加速器为射线源的各种工业CT装置已被广泛地应用到各个工业
领域。

微焦点X射线CT可以检测微米级的微小缺陷。

在超声检测方面，各种数字化超声波探伤仪广泛使用。

TOFD超声检测系统、超声成像检测系统、磁致伸缩超声导波检测系统、相控阵超声检测系统已经获得了广泛应用。

在检测方法和应用技术研
究方面，主要针对自动化超声检测技术、超声成像检测技术、人工智能与机器人检测技术、TOFD超
声检测技术、超声导波检测技术、非接触超声技术、相控阵超声检测技术、激光超声检测技术等都
取得了大量的研究成果。

在管棒材和焊管自动化检测线使用的多通道超声波探伤仪，通道数多达128个，采样速率最高可达240MHz 。

超声导波检测系统和磁致伸缩导波检测方法已经用于带保温层工
业管道和埋地管道腐蚀缺陷的长距离检测。

在电磁检测方面，常规涡流检测仪器全部实现数字化，并发展了阵列探头和多通道仪器，实现
了数据转换和分析等先进电子与信息技术的应用。

远场涡流、多频涡流、脉冲涡流和磁光／涡流成
像检测技术都得到了成熟发展和应用。

脉冲涡流检测技术用于带保温层钢质压力容器和管道腐蚀检测，最大可以穿透150mm厚的保温层。

漏磁检测技术已广泛用于大型常压储罐底板腐蚀检测、管道制造过程的在线检测、钢丝绳检测、石油钻杆检测和无保温层工业管道腐蚀检测等。

磁记忆检测在电站锅炉、压力容器、压力管道、汽
轮机、风力发电机和桥梁等结构上已广泛应用。

巴克豪森噪声技术在残余应力检测中的应用更加广泛。

在声发射检测方面，各种性能先进的多通道声发射仪不断涌现。

在声发射信号分析和处理方面，包括常规参数分析、时差定位、关联图形分析、频谱分析、小波分析、模式识别、人工神经网络模式识别、模糊分析和灰色关联分析等都获得了应用。

在我国有50多个检测机构常年从事压力容器的声发射检测。

在微波检测和红外检测方面，也得到了很大发展。

微波检测在湿度、温度、密度、固化度等检测中广泛应用，在胶接结构、复合材料、火箭推进剂等检测中也发挥了重要作用。

红外检测在电力工业、石油化工、房屋建筑等领域得到了广泛应用。

在金属力学试样、断裂力学和应力分析、印刷电路板故障分析和陶瓷工业等领域也开展了应用研究。

压力容器红外热成像检测已正式纳入我国的特种设备安全监察法规体系。

在役检查是在用设备与结构安全监察的重要方法。

在压力容器等特种设备、石油天然气管道、航空系统、铁道系统、土木工程与钢结构、核电站等领域已广泛开展，并取得了显著的成就。

在役结构可靠性评价理论和法规在国际上获得了一致的认可。

无损检测技术在在用设备与结构的可靠性评价中发挥了重要的作用。

无损检测技术在应对气候变化、发展低碳经济、循环经济和绿色再制造产业中也正在起到不可替代的重要作用。

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。

我国在1978年11月成立了全国性的无损检测学术组织——中国机械工程学会无损检测分会。

此外，冶金、电力、石油化工、船舶、宇航、核能等行业还成立了各自的无损检测学会或协会；部分省、自治区、直辖市和地级市成立了省（市）级、地市级无损检测学会或协会；东北、华东、西南等区域还各自成立了区域性的无损检测学会或协会。

我国目前开设无损检测专业课程的高校有大连理工大学、西安工程大学、南昌航空大学等院校。

在无损检测的基础理论研究和仪器设备开发方面，我国与世界先进国家之间仍有较大的差距，特别是在红外、声发射等高新技术检测设备方面更是如此。

无损检测的应用特点
1.不损坏试件材质、结构
无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测，所以实施无损检测后，产品的检查率可以达到100%。

但是，并不是所有需要测试的项目和指标都能进行无损检测，无损检测技术也有自身的局限性。

某些试验只能采用破坏性试验，因此，在目前无损检测还不能代替破坏性检测。

也就是说，对一个工件、材料、机器设备的评价，必须把无损检测的结果与破坏性试验的结果互相对比和配合，才能作出准确的评定。

2.正确选用实施无损检测的时机
在无损检测时，必须根据无损检测的目的，正确选择无损检测实施的时机。

3.正确选用最适当的无损检测方法
由于各种检测方法都具有一定的特点，为提高检测结果可靠性，应根据设备材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式，预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。

4.综合应用各种无损检测方法
任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自己的优点和缺点。

应尽可能多用几种检测方法，互相取长补短，以保障承压设备安全运行。

此外在无损检测的应用中，还应充分认识到，检测的目的不是片面追求过高要求的“高质量”，而是应在充分保证安全性和合适风险率的前提下，着重考虑其经济性。

只有这样，无损检测在承压设备的应用才能达到预期目的。

常用的无损检测方法
无损检测方法很多，据美国国家宇航局调研分析，其认为可分为六大类约70余种。

但在实际应用中比较常见的有以下五种，也就是我们所说的常规的无损检测方法：
一、常规无损检测方法
目视检测 Visual Testing （缩写VT）；
超声检测 Ultrasonic Testing（缩写UT）；
射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）；
磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写MT）；
渗透检测 Penetrant Testing （缩写PT）。

1、目视检测（VT）
目视检测，是国内实施的比较少，但在国际上非常重视的无损检测第一阶段首要方法。

按照国际惯例，目视检测要先做，以确认不会影响后面的检验，再接着做四大常规检验。

例如BINDT的PCN 认证，就有专门的VT1、2、3级考核，更有专门的持证要求。

经过国际级的培训，其VT检测技术会比较专业，而且很受国际机构的重视。

VT常常用于目视检查焊缝，焊缝本身有工艺评定标准，都是可以通过目测和直接测量尺寸来做初步检验，发现咬边等不合格的外观缺陷，就要先打磨或者修整，之后才做其他深入的仪器检测。

例如焊接件表面和铸件表面较多VT做的比较多，而锻件就很少，并且其检查标准是基本相符的。

2、射线照相法（RT）
是指用X射线或g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。

1、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。

2、射线照相法的特点：射线照相法的优点和局限性总结如下：a.可以获得缺陷的直观图像，定性准确，对长度、宽度尺寸的定量也比较准确；b.检测结果有直接记录，可长期保存；c. 对体积型缺陷（气孔、夹渣、夹钨、烧穿、咬边、焊瘤、凹坑等）检出率很高，对面积型缺陷（未焊透、未熔合、裂纹等），如果照相角度不适当，容易漏检。

d.适宜检验厚度较薄的工件而不宜较厚的工件，因为检验厚工件需要高能量的射线设备，而且随着厚度的增加，其检验灵敏度也会下降；e.适宜检验对接焊缝，不适宜检验角焊缝以及板材、棒材、锻件等；f.对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难；g.检测成本高、速度慢；h.具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，损害生物组织，危及生物器官的正常功能。

总的来说，RT的特性是——定性更准确，有可供长期保存的直观图像，总体成本相对较高，而且射线对人体有害，检验速度会较慢。

无损检测X光机
用于工业部门的工业检测X光机通常为工业无损检测X光机（无损耗检测），此类便携式X光机可以检测各类工业元器件、电子元件、电路内部。

例如插座插头橡胶内部线路连接，二极管内部焊接等的检测。

BJI-XZ、BJI-UC等工业检测X光机是可连接电脑进行图像处理的X光机，此类工业检测便携式X光机为工厂家电维修领域提供了出色的解决方案。

3、超声波检测（UT）
1、超声波检测的定义：通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

2、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。

3、超声波检测的优点：a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；b.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；c.缺陷定位较准确；d.对面积型缺陷的检出率较高；e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；f.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。

4、超声波检测的局限性a.对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；b.对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；c.缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；d.材质、晶粒度等对检测有较大影响；e.以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

5、超声检测的适用范围a.从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；b.从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；c.从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；d.从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；e.从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。

这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。

铸件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。

在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向。

4、磁粉检测（MT）
1. 磁粉检测的原理：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。

2. 磁粉检测的适用性和局限性：a.磁粉探伤适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹），目视难以看出的不连续性。

b.磁粉检测可对原材料、半成品、成品工件和在役的零部件检测，还可对板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件进行检测。

c.可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等缺陷。

d.磁粉检
测不能检测奥氏体不锈钢材料和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，也不能检测铜、铝、镁、钛等非磁性材料。

对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于20°的分层和折叠难以发现。

5、渗透检测（PT）
1.液体渗透检测的基本原理：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。

2.渗透检测的优点：a.可检测各种材料；金属、非金属材料；磁性、非磁性材料；焊接、锻造、轧制等加工方式；b.具有较高的灵敏度（可发现0.1μm宽缺陷）c.显示直观、操作方便、检测费用低。

3.渗透检测的缺点及局限性：a.它只能检出表面开口的缺陷；b.不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件；c.渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价。

检出结果受操作者的影响也较大。

二、非常规无损检测方法
声发射Acoustic Emission(缩写AE)；
涡流检测Eddy current Testing （缩写ET）
泄漏检测 Leak Testing（缩写LT）；
衍射波时差法超声检测技术Time of Flight Diffraction (缩写ToFD)；
导波检测Guided Wave Testing；
还有许多许多……
涡流检测（ET）
涡流检测（ET）的英文名称是：Eddy Current Testing，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。

涡流检测方法的操作速度很快，按照检验员的经验反馈，一条12米的长管，在顺利的情况下只需要几十秒就完成检验了。

还有许多非常规无损检测方法，针对不同的场合、材质，经考察后才决定采用那种的方式检验。

无损检测(NDT) 或无损评价(NDE) 技术在飞机的全寿命过程中起着极其重要的作用,它对保证飞行安全,延长飞机寿命都具有非常重要的意义。

飞机从各结构件的材料选择和比较到生产制造,以及在使用过程中都需要无损检测技术来保证其整体性能符合要求,满足适航性和安全性的要求。

历史上许多重大飞行事故都往往同人们在无损检测中的失误或(因技术水平不够而产生) 漏检密切相关。

随
着用损伤容限理论替代过去的安全寿命设计理论[1 ] ,无损检测技术在航空工业中的应用观点也发生了根本性的变化,这就是无损检测技术应当对飞机的全寿命(从摇篮到坟墓) 负责,它不但应能(在传统意义下)
检测出已经存在的缺陷,还应能对裂纹发展规律进行预测,以保证损伤容限理论的正确实施。

损伤容限理论认为任何结构都存在缺陷(这一假设是符合实际的) ,只要这些缺陷不超过某一容许尺寸,结构就是安全的。

通常认为损伤容限理论由三个特定内容组成,即①确定剩余强度(允许损伤) ,即在规定失效安全载荷状态下所允许的最大损伤。

②了解裂纹扩展规律,即损伤从很小尺寸(此时检出概率(POD) 很低) 发展到容许尺寸所经历的时间间隔。

③实施损伤检测,确定能够及时检出损伤所用的方法和检测周期。

容许的缺陷尺寸同材料和结构本身有关,它一般由疲劳试验确定,并用来决定首次检测时间和检测间隔。

对任何无损检测技术的最基本也是最低要求是,能可靠地检出达到容许尺寸的缺陷。

可以说,损伤容限理论将飞机结构设计、飞机在使用过程中的维护及无损检测融为一体。

从表面上看,仅上面第三点才同NDT 有关,而实际上,这三条的每一部分都同NDT 技术密切相关。

需要强调的是,在损伤容限理论指导下,对NDT 技术的要求是,所有接近或达到容许尺寸的缺陷都能,而且必须能被很可靠地(至少90 %) 检出,而能发现裂纹这句话并不需要理解为能发现多小或最小尺寸的裂纹,相反,它应被理解为以高可靠性检测出达到容许
尺寸的缺陷。

传统观念采取的是在发现问题后进行修补(维修或修理) 的办法,要求在发现危及安全的缺陷后立即进行修复。

而新的观念是预测并管理,要求能对可能发生的缺陷、故障进行预报,从而能在某一合适时间段内采取措施。

这样才能在保证飞行安全的前提下,保障飞机的适航性以取得最大的经济效益。

因此,在航空工业中,要求NDT 技术能在飞机结构材料选型、部件生产过程、飞机使用过程及飞机延寿中发挥作用。

显然,飞机从设计到交付使用,再到延寿,其不同阶段的任务和目标都不相同,与之联系的NDT 任务和目标也必然发生变化。

本文在论及航空领域无损检测技术发展情况时,重点将放在在役检测(或外场检测) 技术的发展上,因为这是一个最富挑战性的研究和发展领域。

1 航空领域无损检测技术的特殊问题
在飞机使用过程中,无损检测的主要任务是保证飞机的结构完整性。

除按无损检测手册规定的内容对指定区域进行例行NDT 外,有时还需对领先飞行的飞机的一些特殊部位和区域进行检测。

日常大量的检测工作是由受过培训并取得资格认证的技术人员来执行,这些人一般属于熟练操作人员,而不是无损检测专家。

因此,所制定的检测程序、工艺及判据标准都应简单、明确。

1. 1 老旧飞机的无损检测
外场无损检测目前有几类问题最引人关注,首先是老龄飞机的无损检测。

如何改进检测能力,支持老龄飞机延寿(在超过原先设计的使用寿命后仍能安全飞行) 是一个十分重要的问题。

通常把日历寿命超过20a (年) 的飞机都作为老龄飞机来对待,而不少飞机,特别是民用飞机的预期使用寿命可高达40～50a ,可见,延寿工作对飞机有多么重要。

由于腐蚀损伤和积累疲劳损伤的作用,老龄飞机发生故障的概率明显增加。

因此,对老龄飞机应当执行与过去不同的维修和检测方案,着重解决腐蚀控制和腐蚀监测问题。

一般使用低频涡流技术检测诸如桁条下方或铆接件下层板的腐蚀,而大多表面腐蚀可用目视观察。

在老龄飞机无损检测方面,应注意①飞机所有区域都需检测。

②检测以日历间隔为基础。

③检测间隔分为初始和重复检测间隔。

④腐蚀分为轻微、严重和最严重三类,确认后应采取不同措施。

虽然上述各项已为航空界广泛接受,但腐蚀监测问题至今并未真正解决,因此,老旧飞机无损检测向我们提出的第一个挑战是发展一种行之有效的腐蚀监控方法。

其次,由于老龄飞机一般都已有探伤工艺,关键在于应对每一机型重新制定一个“附加检测文件”,在原有探伤工艺中补充一些检测项目,以发现一些不可预见的疲劳损伤。

这就要求我们能确认每种飞机的主要结构件(其失效会导致灾难性事故) ,然后再确认其检测方法和步骤。

确认检测方法时要求能使用最灵敏的NDT 技术并能确定探测到容限长度裂纹的可靠性。

据笔者所知,我国在某些机种上已
开展了这方面的工作。

为了解决老旧飞机的无损检测问题,美国成立了老旧飞机无损检测认证中心[2 ] ,确定对老旧飞机的主要结构部件所应采用的检测方法和检测频率。

我国迄今为止尚没有类似机构。

尽早确定老旧飞机探伤的特殊问题,以及对所需的设备和探伤方法开展研究是十分必要的。

与此同时,对老旧飞机还需能检出结构内深处的小缺陷、层状结构第二层之后的腐蚀和紧固件周围的疲劳裂纹和腐蚀。

这可能是人们面临的又一个挑战。

1. 2 新机新材料的无损检测
各种新型飞机都大量使用新材料,特别是铸钛合金和复合材料。

如民用波音777 飞机的尾翼和主梁部分,军。