学习情境一：设备状态监测与故障诊断

学习情境一： 设备状态监测与故障诊断模块六：无损检测技术

随着现代科学和工业技术的迅速发展，工业现代化进程日新月异，高温、高压、高速度和高负荷，无疑已成为现代工业的重要标志，但他的实现是建立在材料（构件）高质量的基础上的，为了确保这些构件优异的质量，还必须采用不破坏产品的形状、不改变使用性能的检测方法，对产品进行百分之百的检测（抽检），以确保产品的安全可靠性，这种技术即是无损检测技术。无损检测技术以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效的检测和测试，借以评价他们的连续性、完整性、安全可靠性和某些物理性能，包括被检测材料和构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、分布和内含物等情况进行判断。无损检测技术

现代工业和科学技术的迅猛发展，为无损检测技术的发展提供了更加完善的理论和新的物质基础，使其在机械、冶金、航空航天、原子能、国防、交通、电力等多种工业领域中得到了广泛的应用。无损检测技术常用方法有射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测及声发射检测等技术。

射线检测是利用X射线、γ射线、β射线以及中子射线、高能射线等易于穿透物质的特性为基础的。其基本原理是：射线在穿过物质的过程中，由于受到物质的散射和吸收作用而使其强度衰减，衰减程度取决于穿透物体的性质、射线的种类及其穿透距离。当把强度均匀的射线照射到物体上一个侧面，在物体的另一侧使透过的射线在照相底片上感光、显影后，就可得到与材料内部结构或缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过观察射线底片，就可检测出物体表面或内部的缺陷，包括缺陷的种类、大小和分布情况并做出评价。常见的有采用照相或屏幕显示、电视显示等方法将物质内部情况显示为可见图像以进行分析判断。例如工业上用于检查铸件、焊缝等的射线照相检测或工业X光电视、医学界用于检查人体的X光透视或照相及CT等。一、射线检测

射线检测缺陷的形状非常直观，对缺陷的尺寸、性质等情况判断比较容易判断。采用计算机辅助断层扫描法还可以了解断面的情况，可以进行自动化分析。射线检测对所测试检查物体既不破坏也不污染，但射线检测成本较高，且对人体有害，在检测过程中必须注意要妥善保护。

超声波检测技术是工业无损检测技术中应用最为广泛的检测技术之一，也是无损检测领域中应用和研究最为活跃的技术之一。超声波检测就是利用电振荡在发射探头中激发高频超声波，入射到被检物内部后，若遇到缺陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的时延与衰减情况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小及其性质能方面的信息，并由相应的标准或规范判定缺陷的危害程度的方法。二、超声波检测

1、超声波简介 一般把频率在20kHz以上的声波叫做超声波，它是一种机械振动波，能透入物体内部并可以在物体中传播。用于无损检测的超声波频率多为1~5MHz。高频超声波的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会产生明显的反射，而且方向性好，穿透能力强，在液体和固体中衰减小，因此超声波探伤成为无损检测的重要手段。

根据波传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不同，可将超声波分为横波、纵波、表面波和板波等。根据波传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不同，可将超声波分为横波、纵波、表面波和板波等。（1）纵波L（压缩波、疏密波）介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波，用L表示。当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成纵波。这是介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。纵波可在任何弹性介质中传播。由于纵波的产生和接收都比较容易，因而在工业探伤中得到广泛的应用。

（2）横波S（T）（切变波） 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波。横波只能在固体介质中传播。（3）板波在板厚与波长相当的薄板中传播的波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。适用于对薄的金属板进行探伤。

（4）表面波R（瑞利） 当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。表面波同横波一样也只能在固体介质中传播，而且只能在固体表面传播。

2、超声波检测常用方法 （1）共振法利用的是共振原理（一定波长的超声波，在物体的相对表面上反射，所发生的同相位叠加的物理现象称为共振）。探头把超声波辐射到试件后，通过连续调整声波的频率以改变其波长，当试件的厚度为声波半波长的整数倍时，由于入射和反射波的相位相同而引起共振，在试件中产生驻波，在测得超声波的频率和共振次数后，即可用公式计算试件的厚度。

（2）透射法 是最早应用的一种超声检测技术。其机理是将发射探头和接收探头分别置于试件的两个对立面，根据超声波穿透试件后的能量变化情况，来判断试件内部质量。如试件内无缺陷，超声波穿透试件后衰减小，则接收信号较强；如试件内有小缺陷，超声波在传播过程中部分被缺陷遮挡，使之在缺陷后形成阴影，接收探头只能接收到较弱的信号；若试件中缺陷面积大于声束截面时，全部声束被缺陷遮挡，则接收探头接收不到任何发射信号。（即：根据能量减少的程度即可判断缺陷的大小。）这种方法的优点是不存在盲区，适于检测较薄的工件；缺点是不能确定缺陷的深度位置，且需要在工件的两个相对表面进行操作。

（3）脉冲反射法 是目前应用最为广泛的一种超声波检测方法。利用的是超声脉冲在试件内传播的过程中，遇有声阻抗相差较大的两种介质的界面时，将发生反射来检测，采用一个探头兼做发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及其方位。

利用磁粉的聚集显示铁磁性材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检测方法。 1、磁粉检测机理铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使导磁率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷外，还有一部分磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺陷再重新进入材料，从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。当采用微细的磁性介质（磁粉）铺撒在材料表面时，这些磁粉会被漏磁场吸附聚集从而显示出缺陷所在，这种方法就是“磁粉探伤”技术。三、磁粉检测法

如果不是使用磁粉，而是直接使用特殊的测磁装置（例如磁带、检测线圈、磁敏元件等）探查并记录漏磁通的存在来达到检测目的，则称为“漏磁检测”技术。目前主要应用于工业上检查铁磁性材料及零部件上的表面和近表面缺陷。 2、磁粉检测的特点和适用范围磁粉检测适用于检测钢铁等强磁性材料的表面缺陷，能发现表面或近表面的裂纹、折叠、夹层、夹杂物、气孔等缺陷，一般能确定缺陷的位置、大小和形状，但难以确定缺陷的深度。磁粉检测不适用于探测非铁磁性材料，如奥氏体、铜、铝等的缺陷。

渗透检测是一种最简单的无损检测方法，用于检测表面开口缺陷。通过喷洒、刷涂或浸渍等方法，把渗透能力很强的渗透液（红色的着色渗透液或黄绿色的荧光渗透液）施加到被检查的物体上，当物体表面存在开口性缺陷时，渗透液因毛细管作用原理而渗入到缺陷中去，将物体表面多余的渗透液擦拭或冲洗干净后，再在物体表面均匀施加显像剂，显像剂能将已渗入缺陷内的渗透液引导到物体表面上来，由于显像剂本身提供了与渗透液形成强烈对比的背景衬托，因此反渗出的渗透液将显示出缺陷的状况图像，它可以是以颜色对比而在白光下用肉眼观察（称为“着色渗透探伤”），也可以是因具有荧光作用而在紫光下观察（称为“荧光渗透探伤”）。四、渗透检测

渗透检测与其它无损检测方法相比，具有设备和检测材料简单的优点，在机械修理中，用这种方法检测零件表面裂纹由来已久，至今仍不失为一种通用的方法。渗透检测主要应用于探测金属材料和致密性非金属材料的缺陷，能发现表面开口的裂纹、折叠、疏松、针孔等，，通常能确定缺陷的位置、形状，但难以确定缺陷的深度，其灵敏度已经达到可以检测出开口宽度仅有微米级的缺陷。

涡流检测基于电磁感应原理，当把通有交变电流的线圈靠近导电物体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出电流，如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，因此把它叫做涡电流。涡电流的分布及大小除了与激磁条件有关外，还与导电体本身的电导率、磁导率、导电体的形状与尺寸、导电体与线圈间的距离、导电体表面或近表面缺陷的存在或组织变化等都有密切关系。涡电流本身也要产生交变磁场，通过检测其交变磁场的变化，可以达到对导电体检测的目的。因此，利用涡流检测技术，可以检测导电体上的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度、热处理质量（如淬火透入深度、硬化层厚度、硬度等）以及材料牌号分选等等。五、涡流检测

涡流检测技术由于其操作简单，不需要耦合剂和易于实现高速、自动化检测等优点，因此在金属材料及其零部件尤其是管、棒和线材等型材料的无损检测中应用最广。目前应用比较多的有多频涡流检测技术、深层涡流检测技术、脉冲涡流检测技术以及远场涡流检测技术等。其中远场涡流检测技术是近几年发展起来的涡流检测新技术，它使用一个激励线圈和一个较小的接收线圈，两者同时置于被检管道中，之间相距较远，致使接收线圈所接收到的磁场几乎完全是穿过管道后返回管内的磁场，从接收到的磁场的幅度和相位的变化可以判定检测线圈所检测区域中的缺陷情况。

声发射检测技术是20世纪50年代初兴起的一种无损检测方法，它根据结构内部发出的应力波来判断结构的内部损失程度。由于该方法能连续监视结构内部损失的全过程，因此得到了广泛应用。声发射检测技术是20世纪50年代初兴起的一种无损检测方法，它根据结构内部发出的应力波来判断结构的内部损失程度。由于该方法能连续监视结构内部损失的全过程，因此得到了广泛应用。在日常生活中，人们会注意到，折断竹竿可以听到噼啪的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳可觉查到的声发射现象。通常，人们把物体在状态改变时自动发出声音的现象称为声发射。其实质是，物体受到外力或内里作用发生塑性变形、内部晶格位错运动、晶界滑移时，或者在产生裂纹、扩展和物体断裂时以及其他缺陷增长时，都会以弹性波的形式释放出猝发能量，这种现象就叫做声发射。由于声发射提供了材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态检测和故障诊断。六、声发射检测

声发射源往往是材料损坏的发源地。由于声发射的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态（缺陷的存在、位置、严重程度），而且可知道它形成的历史，并预报其发展趋势。

声发射检测具有如下特点： 1、声发射检测可以获得有关缺陷的动态信息。结构或部件在受力情况下，利用声发射进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实时报警。 2、声发射检测不受材料位置的限制。材料的任何部位只要有声发射，就可以进行检测并确定声源的位置。

3、灵敏度高。声发射检测属于“动态”无损检测技术，它对增长着的缺陷更敏感，可以检测微米数量级的显微裂纹的变化，检测灵敏度很高。 4、不受材料限制。绝大多数金属和非金属材料都具有声发射特性，因此声发射检测几乎不受材料限制，可以长期对缺陷的安全性进行实时状况监测和险情报警，这是声发射技术优于其它无损检测技术的特点。

但是，由于材料的塑性变形和裂纹扩展等的不可逆性，声发射也有不可逆性，即认为应力第二次再重复作用时，大多数弹性体不会再产生声发射，因此，必须知道材料的受力历史或者在构件第一次受力时就进行声发射诊断。

1、焊缝缺陷检测 超声波对焊缝中裂纹和未焊透等缺陷的诊断，具有许多优点，应用广泛。焊缝缺陷诊断需采用斜探头，其指向性好，声能集中，容易发现微小的缺陷，提高探测精度。斜探头探测是利用纵波斜入射后的折射横波声束。当波长一定时，欲获得好的声束指向性，必须选大的晶片，但近场距离变大，使用小晶片的斜探头时指向性又差，损失了远场的灵敏度。当晶片尺寸一定时，波长越小指向性越好。为提高对缺陷的诊断能力和精度，以及避免焊缝表面杂波干扰，应使用高频超声波，但频率过高，声能衰减加大，穿透能力降低至无法探测，总之，必须综合考虑这些因素。七、无损检测技术应用举例

通过实践认为，了解斜探头的声束扩散角与缺陷定量关系；声束中心轴在水平方向的偏移，以及声束在垂直方向上的双峰很重要。此外，为鉴别焊缝上两个靠近的缺陷，斜探头应有良好的分辨率，盲区不宜过大，探头的折射角不同，发现缺陷的能力也不同，因此，规定标准折射角与实验折射角的误差越小越好。当横波在工作中传播时遇到缺陷，就会在缺陷表面反射和波形转换，如图6-1所示。图6-1 斜角探测时波形转换与反射

在焊缝探测中，应根据工件的形状、厚度、焊接形式等选择探测方法，选择不当会误判或漏检。 2、声发射技术在故障检测中的应用工业上应用声发射技术作为工程监测和诊断手段的成功例子要追溯到20世纪60年代初期，首先出现应用于航天航空结构方面。大约在1962年—1968年，美国研制了北极星导弹，导弹的内腔是由增强玻璃复合材料制成，为了评估结构完整性，进行腔内充压验证试验。在试验中记录到的声发射信号提供了判断结构破坏型式（即纤维破裂或粘结点与层面剪切破坏）的依据。同时，根据取得的声发射数据确定了结构出现裂纹的部位，并在此基础上，发展起来了所谓的应力波分析技术（SMAT）。这里“应力波”指的就是声发射。后来这项技术又推广应用到土星11，SL-2 等结构上，判断结构的完整性。

在钢铁工业中，高炉炉龄的长短将会直接影响企业的生产率和经济效益。在使用中，应用声发射技术来合理制定高炉修复计划，正确、及时地确定修复部位，以便充分利用设备，缩短修复时间；或者合理地设计、布置高炉内部的结构，提高主炉的使用寿命指标等。这些对提高经济效益有十分重大的意义。

学习情境一： 设备状态监测与故障诊断