无损检测

定义

无损检测是对材料、零部件、设备或结构实施的一类检查手段,其前提是检测过程不改变被检对象未来的使用性能与功能,结果用于判断对象是否存在缺陷、不连续性或其他异常^[1][4]。它的检出对象既包括内部裂纹、气孔、夹渣一类的不连续,也包括厚度、几何尺寸、组织结构与部分物理性能^[5]。

与破坏性试验只能抽检不同,无损检测可以逐件检查成品或在役设备,因此常被安排在设计、制造、成品验收和在役复查等环节^[6]。在术语使用上,英文文献中无损检测(Non-destructive Testing,NDT)、无损评价(Non-destructive Evaluation,NDE)与无损检验常被互换,其中评价侧重定量表征与剩余寿命估算,范围略宽^[3]。国际标准化组织认可的常规方法包括超声、射线、渗透、磁粉和涡流探伤^[2];美国材料与试验协会发布的术语标准则把声发射、泄漏检测、红外检测、目视检测等也纳入无损检测范畴^[7]。

原理

各类方法共同的技术思路,是先向被检对象施加某种可测量的物理场,再观察缺陷引起的场量变化。以脉冲反射法超声检测为例,材料内部的不连续会形成声阻抗不同的界面,声波在此发生反射,回波到达时间对应缺陷深度,回波幅度则与界面尺寸和性质有关^[6]。超声波检测常用频率在0.5至20MHz之间,相控阵技术以多阵元代替单元换能器,通过电子延时实现声束的偏转与聚焦^[3]。

射线检测利用X射线或γ射线穿透物体时的强度衰减:密度大、厚度大的部位吸收更多射线,透射后强度较低,在胶片或数字探测器上形成灰度差异,从而映出内部结构^[8]。磁粉检测先将铁磁性工件磁化,表面或近表面的不连续使磁力线局部外泄形成漏磁场,吸附磁粉后生成可见磁痕^[1]。渗透检测依靠毛细作用使含染料或荧光物质的渗透液进入表面开口缺陷,清除多余液体并施加显像剂后,缺陷内的渗透液被吸回表面而显影^[9]。涡流检测则依据电磁感应,交变线圈在导电工件中感生涡流,缺陷改变涡流分布,进而使线圈阻抗发生变化^[10]。

式中 $c$ 为材料中的声速,$t$ 为回波往返时间,系数 2 源于声波往返传播^[6]。实际检测中,缺陷取向、形状、材质与晶粒度都会影响回波,单一方法的判读结果因此需要结合工艺条件加以核对^[1]。

发展历程

在仪器方法出现之前,敲击听音、目视观察等经验手段已被长期用于判断器物与构件的好坏^[11]。作为工程学科,无损检测通常以1895年伦琴发现X射线为起点,此后射线检测率先进入工业应用^[12]。1922年,美国建立了用于检查铸件质量的工业射线实验室,射线照相在20世纪30年代起进入规模化工业应用;20世纪90年代以后,数字射线检测逐步取代部分胶片照相^[13][12]。

磁粉检测的工业应用可追溯到20世纪20年代末至30年代,渗透检测同期在铁路部件检查中出现;超声检测于1929年用于产品缺陷检验,第一台涡流探测仪器则在1935年研制成功^[12][14]。至20世纪中期,以射线、超声、磁粉、渗透和涡流五种方法为骨干的常规无损检测体系基本形成^[4]。

20世纪后期以来,计算机与电子技术的发展推动了射线实时成像、工业CT、超声相控阵与衍射时差法等新方法的普及,检测结果由模拟图像转向数字图像,并可与自动扫查装置、机器人配合使用^[12][15]。技术目标也从单纯发现缺陷,扩展到测定缺陷的尺寸、形状、取向并据此评估构件寿命^[5]。

应用

无损检测覆盖从原材料入厂到设备退役的多个阶段,在冶金、机械、石油化工、航空、航天、电力、船舶与建筑等行业均有使用^[4]。具体场合包括锻件与铸件的内部缺陷检查、焊缝质量控制、管材棒材的在线检测,以及在役压力容器、储罐和管道的定期复查^[1][6]。核电领域用于压力容器与一回路部件的检验,航空领域用于零部件制造与服役检查,桥梁等基础设施则用于疲劳裂纹与腐蚀的排查^[3]。

方法选择取决于材质、结构、制造工艺与预期缺陷形态。射线与超声检测多用于内部缺陷;磁粉检测适合铁磁性材料的表面与近表面;渗透检测适用于非多孔性材料的表面开口缺陷;涡流检测则针对导电材料的表面与近表面^[8]。建筑行业还发展出超声回弹综合法等面向混凝土强度的无损测试方式^[9]。

由于检测结论依赖人员判读,人员资质构成应用环节的重要条件。国际标准化组织发布的ISO 9712将无损检测人员按方法分为1级、2级、3级,分别对应按工艺执行、独立检测与判读、编制与审核工艺规程等职责;中国对应的标准为GB/T 9445,应用层面的通用导则为GB/T 5616^[16][17]。船舶检验等行业的规范还要求供方配备相应等级的持证人员和技术负责人^[18]。

局限

没有一种无损检测方法可以覆盖所有材料和全部缺陷类型,方法之间存在明显的盲区。磁粉检测仅适用于铁磁性材料,无法检测奥氏体不锈钢焊缝以及铜、铝、镁、钛等非磁性材料,对与表面夹角很小的分层和较深的埋藏孔洞也不敏感^[1]。渗透检测只能发现表面开口缺陷,皮下与内部缺陷无法检出,且工序繁琐、重复性较差^[4]。

超声检测对形状复杂或不规则的试件操作困难,结果受缺陷取向、材质与晶粒度影响,通常还需使用耦合剂,且不像射线底片那样留有直观的原始记录^[1]。射线检测虽能给出直观的内部投影图像,但难以判断缺陷的埋藏深度,对垂直于表面的线性缺陷容易漏判或误判,设备与防护成本较高,射线本身对人体有害^[8]。

检测灵敏度与缺陷尺寸、波长相关,当缺陷尺寸小于波长时声波会绕射而难以反射,微小缺陷与部分界面缺陷因此不易识别^[19]。此外,检测结论高度依赖操作人员的经验与工艺执行水平,不同方法、不同工艺得出的结果可能不一致^[9][6]。工程实践中通常采用两种或两种以上方法互相补充,以提高结果的可信度^[20]。

参见

• 超声检测 —— 利用高频声波在材料中的反射与透射判断内部缺陷的常规方法。

• 射线检测 —— 借助X射线或γ射线穿透衰减成像,主要用于内部缺陷检查。

• 磁粉检测 —— 通过磁化后漏磁场吸附磁粉来显示铁磁性材料表面缺陷。

• 渗透检测 —— 依靠毛细作用让渗透液进入表面开口缺陷并显影。

• 涡流检测 —— 依据电磁感应原理检查导电材料表面与近表面不连续。

• 声发射检测 —— 被动接收材料损伤时释放的弹性波,用于监测活性缺陷。