民机复合材料超声无损检测技术[样例5]

第一篇：民机复合材料超声无损检测技术

民机复合材料超声无损检测技术

摘要：随着现代航空航天业对复合材料应用的不断增多，对这些材料的检测日益成为该领域的重点和难点。本文主要介绍了一些常用的与航空航天复合材料相适应的超声无损检测技术。

关键字：航空航天 复合材料 无损检测 超声检测 C扫描检测 RF超声检测 空气耦合

1.引 言

复合材料是指由两种或两种以上不同的物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥出各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天领域，近几年更是取得了飞速的发展。

然而由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，制造过程复杂，在制作成型过程中受设备、环境、人员及原材料等因素的影响极易在产品内部产生空穴、裂纹、分层、多孔、输送、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤等缺陷。在应用过程中，由于疲劳积累、撞击、腐蚀等物理化学因素影响，复合材料也容易产生脱胶、分层、基本龟裂、空隙增长、纤维断裂、褶皱变形、腐蚀坑、划伤、下陷、烧伤等缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料的内部[1]。这些对产品的质量和安全性能影响极大，因此，对产品的检测尤为重要。

用于复合材料无损检测的方法主要有超声、射线、磁粉、渗透、涡流、激光全息及红外无损检测技术等，超声波检测法(Ultrasonic)是广泛用于材料探伤的常用方法，也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。它主要利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷，如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等[2]。超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。因此，超声无损检测技术一直都是研究的 热点，本文将对复合材料的某些超声波无损检测方法做具体的介绍。

2.复合材料及其无损检测技术特点

与传统的金属材料结构相比，复合材料结构是一种通过基体-增强物之间的物理结合和铺层设计来达到预期性能的集材料工艺于一体的新型材料结构。其最为显著的优点是材料和结构的重量-性能比(即比性能)好、可设计性强、材料利用率高和制造工序少(从材料制备到结构成型，往往仅需要一两个热循环就能完成制造)。因此，一旦进入复合材料结构制造工序，其输出结果就是结构件，而且复合材料结构越来越复杂，结构尺寸越来越大，整体结构越来越多，如飞机机翼、机身和壁板等。

复合材料的无损检测不能简单沿用金属材料检测的思维惯性和方法，而必须根据复合材料结构特点，研究和采用复合材料的无损检测技术和方法。

图1 典型的复合材料界面[3](1)由于复合材料内部各结构元素(如纤维、树脂和铺层等)之间主要是通过物理界面相结合(图1)，而且存在明显的各向异性。大量的检测结果和破坏分析表明，最容易产生缺陷的部位正是在复合材料内部的物理界面。因此，界面缺陷的检测是复合材料无损检测的重点。特别是对于复合材料层压结构，研究和掌握其结构特点，对选择和研究复合材料无损检测技术具有正确性的指导意义。

2(2)复合材料结构多为非厚度结构，厚度约0.3-40 mm，因此，对复合材料的检测必须结合具体的应用对象。特别值得指出的是，复合材料不允许存在表面检测盲区。对于复合材料层压结构，单个铺层的厚度小至0.125 mm，而且通常复合材料结构在厚度方向不存在加工余量之说[3]。

(3)对复合材料层压结构，必须充分考虑内部的微结构与所研究和选择的检测方法在检测机理、缺陷信号成因上的有机联系。例如，声波在复合材料中的传播特性的变化和缺陷识别方法就与复合材料内部微结构存在密切联系[3]。不能简单地根据换能器接收到的物理信号的变化判别缺陷是否存在。例如，图2是来自碳纤维层压复合材料内部的典型超声回波信号，图中F来自材料表面的声波反射，B来自材料底面的声波反射，D来自材料内部的声波反射。按照传统的超声检测思维惯例，信号D应是判别材料内部缺陷的依据。但在复合材料超声检测中，信号D并不是来自缺陷的反射波，而是材料结构变化引起的入射声波反射。

图2 复合材料内部典型超声回波信号[3](4)缺陷特点与特征总是与材料、工艺和结构密切相关，因此需要掌握这些特点，才能建立正确的复合材料判别方法。

3.复合材料的超声波检测技术

3.1 超声波检测简介

超声波是指频率≥20kHz的声波，其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异来确定缺陷的位置与大小。超声波检测主要分为脉冲反射法、穿透法和反射板法，根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。

超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂物等，而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定作用。对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件，宜采用水浸式反射板法；对于小或稍厚的复杂结构件，无法采用水浸式反射板法时，可采用水浸或喷水脉冲反射法和接触延迟块脉冲反射法；对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用喷水穿透法或喷水脉冲反射法。由于复合材料组织结构具有明显的各向异性，而且性能的离散性较大，因而，产生缺陷的机理复杂且变化多样，再加上复合材料构件的声衰减大，由此引起的噪声与缺陷反射信号的信噪比低，不易分辨，所以检测时应选合适的方法[4]。

超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。由于这些优点超声C扫描、RF超声检测、空气耦合式超声检测等已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。

3.2 超声C扫描检测技术

超声C扫描是通过采用计算机技术控制超声波探头的移动位置，控制超声波探伤仪（或数据采集卡）经探头发射超声波信号，并在超声波信号经过检测工件后被自身（或别的）探头接收超声波探伤仪（或数据采集卡）将获得信号进行处理，由计算机进行检测结果的显示、记录、存储，在计算机显示屏上显示整个检测区域的有无缺陷情况、缺陷大小和位置。现以检测平面构件为例加以说明其成像原理。当探头在探测平面内作X，Y方向的扫描运动时，在计算机的显示屏上有一个和零件表面相一致的直角坐标。探头在零件表面的位移和显示屏上的光点的位移 4 同步，光点的颜色对应着接收探头接收到的信号能量的大小，如果探头所在位置下面如有缺陷，则对应的信号能量将发生变化，于是在显示屏上显示一个不同颜色点[5]，成像原理如图3所示。

图3 超声C扫描成像原理

超声C扫描，由于显示直观、检测速度快等优点使其在大型复合材料构件的无损伤检测中得到了广泛的应用。由波音民用飞机集团等单位组成的研究小组用超声波研究复合材料机身层合板结构的冲击强度和冲击后的剩余强度，结果表明，超声波不仅可检测损伤，而且能确定损伤对复合材料构件承载能力的影响。Dows公司先进的复合材料实验室用超声波确定了各种损伤参数(深度、形状、面积、直径以及分层频率等)与有机纤维复合材料压缩强度的关系。为适应复合材料制造过程的在线监控，还研制了脉冲激光超声波检测系统。该系统已成功用于复合材料固化过程的远离非接触在线检测监控，包括温度分布、固一液态界面、微观结构、再生相(疏松、夹杂物)以及粘流一粘滞特性的检测[6]。

3.3 RF超声检测

3.3.1 RF超声检测的优点

RF超声检测技术具有高分辨率，可以有效实现复合材料冲击损伤、分层等缺陷的超声扫描成像检测和孔隙率数值评估，因此可以有效地实现复合材料的缺陷检测。目前该项技术已在多个型号生产和新机研制中得到广泛应用。3.3.2 合材料RF超声检测方法

纤维增强/树脂基复合材料层压结构可以被声波视为厚度hhi(i1,2,,n)的层状介质，其中hi为第i个铺层厚度，n为铺层数。声波在这种层状介质中的传 5 播特性及其变化与波长λ、铺层声学特性(如声速)及其内部均匀性密切相关，对于沿厚度方向传播的入射声波，当λ>hi时层压复合材料被声波视为均匀介质。当复合材料内部质量均匀(无缺陷)时，入射声波将会在复合材料内部均匀传播，而不会形成明显的层间反射[7]。

入射声波在缺陷周围的反射与缺陷的性能(即声阻抗)有关，通常可以利用声压反射系数表征人射声波的反射情况。若用Z和Zd分别表示复合材料和缺陷区的声阻抗，则声波在缺陷界面的声压反射系数尺可表示为：

RZZd(1)

ZZd通常由于缺陷区(如分层)的声阻抗Zd比复合材料声阻抗小得多，即Z>>Zd，因此声波中90％以上的能量将会产生反射，形成缺陷反射回波。

图4 分层区RF超声回波信号

图4是一典型的碳纤维增强/树脂基复合材料层压结构中分层区的RF超声回波信号，从图4中可以清晰地看到来自试样表面的声波反射信号F和来自分层缺陷的声波反射信号D，且F和D相位相反[7]。

由于入射声波传播声程s=tv，因此，通过测量回波信号F和D之间的时间t，可以确定损伤在复合材料厚度方向的深度hD：

hD1tv(2)2入射声波在缺陷周围形成的反射声波的幅频特性与缺陷的取向、姿态有关。当入射声波与缺陷取向表面的法向方向夹角较大时，即使入射声波在缺陷界面产生了强烈的反射，也难以接收强烈的反射回波信号。此外，入射声波在缺陷周围形成的声波反射特性还将与缺陷尺寸和声波波长有关，对于复合材料中的微气孔，入射声波在气孔周围的传播主要表现为散射特性，而且气孔越小，散射特性越明显。

通过分析表明声波在碳纤维增强/树脂基复合材料中传播特性的变化，可以得到复合材料内部缺陷或结构信息，但不同的缺陷特征或不同性能的缺陷，对声波反射特性的影响明显不同。由于复合材料层合结构特征，通常单个铺层的厚度可小至0．13mm[7]，因此必须设计采用合理的脉冲超声波检测技术，以得到一个在时间和空间上可以分辨的声波检测信号，实现对复合材料缺陷的定性定量评估和检测分析。

3.4 空气耦合式超声检测技术

3.4.1 空气耦合式超声检测技术进展

空气耦合式超声无损检测技术的进展得益于空气耦合理论、新型换能器及信号处理技术的不断进展。尽管空气耦合式超声检测技术壁垒不断，但研究工作还是取得很多成果：Dean D S系统评估了实际应用环境中空气耦合换能器的特点。Lynnworth L C，Kim B T研究开发的空气耦合式固体绝缘换能器，推动了空气耦合式超声检测技术的发展[8]。

然而目前国内对空气耦合式超声检测技术研究很少，国外许多国家已经将之应用于各种材料研究中。如比利时的E Blomme和德国的RStoessel分别对几种复合材料中(如布料上的涂层以及铝板、钢板和薄铸件)的缺陷检测，得到比较满意的结果。美国QMI公司生产的空气耦合式数字超声波探伤仪，性能可与普通超声波探伤仪相比。意大利空军已将空气耦合用于飞机复合材料检测中。由于空气耦合衰减过大，适用的频率范围最高只能在1MHz左右，而且作用距离短、带宽窄，限制了其应用范围[9]。为了达到工业化应用的目的，超声的空气耦合正向两个方向发 7 展，即①研制适用于不同用环境的空气耦合式超声波换能器。②研制适用于工业化的在线检测系统。

3.4.2 空气耦合式超声测基本原理及其理论

在空气耦合式超声检测中，由于空气和待检试样(固体材料)之间声阻抗存在巨大差异，一般相差约5个数量级，因而2个界面间的声能损失非常巨大，换能器最佳匹配层的声阻抗率Zm为:

ZmZiZ0(3)式中：Zi为固体换能器材料的声阻抗率；Z0为空气的声阻抗率。在室温下，PZT压电陶瓷的Zi约为3107瑞利，空气Z0为4.2102瑞利，按照上式计算Zm辨为1.1102瑞利[8]，如此低阻抗率的固体材料在自然界中难以寻觅，即使人工合成也有相当难度。阻抗不匹配将引起强反射、强折射等效应，进而导致接收端信号信噪比大幅降低，严重影响后续处理系统对回波信号的处理。在空气耦合式超声检测方式中，有反射式和穿透式2种检测模式，分别如图5(a)和图5(b)所示。对于反射式超声检测，可采用单换能器或双换能器，图5(a)中为单换能器。

(a)反射式空气耦合超声检测(b)穿透式空气耦合超声检测

图5 空气耦合超声检测模式[8] 超声信号进入待测试样后，经过受检材料底部反射再次为接收换能器获得，若待测试样中包含缺陷，超声信号部分能量将被缺陷反射，接收换能器能够检测到该反穿透式空气耦合超声传播路径如图6所示。

接收换能器获得的信号强度取决于4个气/固分界面的信号衰减程度，接收信 8 号信噪比可用下式来描述

PaDS/N10log4kTfNFCLALABDLEL(4)

式中：Pa为有效发射功率；k为Boltzman常数；T为绝对温度(开氏温标)；△f为接收换能器带宽；NF为噪声因子(范围1～10)，它是接收换能器电子输入阻抗与放大器噪声阻抗匹配的量度，利用射信号[8]。对于空气耦合单换能器反射超声检测模式，信号经过多次分界面的反射、折射及空气传播衰减，返回的信号非常微弱，目前实现反射式空气耦合方式还有很大的技术难度。对于穿透式检测方式，收发换能器分别置于待检试样的两侧，若待测试样中存在缺陷则缺陷的大小和形状都将对传播信号产生不同程度的反射和衰减，接收端根据信号的衰减程度判断出内部缺陷状况。基于理论研究和工程应用为背景，在此重点对穿透式空气耦合超声检测技术展开研究。

图6 穿透式空气耦合超声传播路径

电子阻抗匹配转换器或自谐振换能器可以减少噪声因子；D为发射系数；CL为发/收换能器的转换损失；AL为空气吸收损耗；DL为折射损失；EL为其他额外传输损失[8]。根据公式(4)现将制约回波信噪比提高的因数归结为以下4个方面。①气/固分界面强反射影响。②气/固分界面强折射影响。③空气吸收影响。④信号处理技术。之后再经过检测数据处理与显示，便可得到复合材料无损检测的结果。

空气耦合可进行快速扫查，易实现波形的模式转换，在大面积在线实时扫查、复合材料缺陷检测、表面成像等方面有着良好的应用前景。

4.结 论

复合材料是现代飞机设计应用的重要材料，在飞机上用量达到52%，直升机上用量甚至达到70%以上。因此，未来复合材料无损检测有着广阔的发展前景，但无损检测只有与复合材料自身特点相结合，才能有效地建立合适的检测方法和技术。此外，现代工业与科技的发展使得超声检测技术在各方面也都有了长足的进步。超声检测技术正向着数字化、自动化、智能化、图像化和多领域方向发展，以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像无损检测，满足现代质量对无损检测的要求。在复合材料规模应用的趋势下，还有许多超声检测技术难题需要不断地去研究和开发，特别是一些快速高效的超声无损检测新技术都是今后复合材料无损检测发展的重要方向。

参考文献

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第二篇：无损超声技术报告

无损超声检测技术（Ⅰ级）无损检测综合知识 1.1 材料的无损检测

1.1.1 无损检测的定义：不破坏材料的外形和性能的情况下，检测该材料的内部结构（组织与不连续）和性能，该技术称为无损检测。英文全称：Non Destructive Testing(NDT)1.1.2 常用无损检测方法

* 射线检测：Radiographic Testing(RT)* 射线的种类与本质： χ射线、γ射线和中子射线。χ射线和γ射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线一样，都是电磁波；而中子射线是粒子。* X射线的产生：X射线管

* γ射线的产生：γ射线是放射性原子核在衰变时放射出来的电磁波。放射性衰变。射线检测：原理、方法与应用

* χ射线和γ射线通过物质时其强度逐渐减弱。强度衰减公式： I＝I0e-μx * 利用射线透过物体时产生的吸收和散射现象，检测材料中因缺陷存在而引起射线强度改变的程度来探测缺陷的方法称为射线检测。利用胶片感光显示缺陷的方法称为射线照相法。* 检测技术类型：照相法；荧光屏法；工业电视法； * 检测对象类型：金属；非金属。焊缝；铸件。

* 检测缺陷类型：裂纹；气孔；未焊透；未融合；夹渣；疏松；冷隔等。检查对接焊缝中的单个气孔，用射线方法比用超声方法好。超声检测：Ultrasonic Testing(UT)* 超声波的本质：机械波，它是由于机械振动在弹性介质中 引起的波动过程，例如水波、声波、超声波等 * 超声波的类型：纵波和横波 表面波（瑞利波）、板波 * 超声波的性质：

（1）声速：与材料性质有关、与波的种类有关（2）波的叠加、干涉及驻波（3）反射、折射和波型转换# 超声检测：原理、方法与应用 * 超声波的产生：仪器、探头 * 超声波与工件的接触：耦合剂

* 超声波在工件内的传播与反射、波的接收

* 超声波检测原理：探头发射的超声波通过耦合剂在工件中传播，遇到缺陷时反射回来被探头接收。根据反射回波在荧光屏上的位置和波辐高低判断缺陷的大小和位置。

* 超声检测技术的特点：应用范围广；穿透能力大；设备轻便；定量不准确；定性困难。* 检测技术类型：纵波法；横波法；表面波法；板波法，… * 常用检测方法：穿透法；反射法；串列法；液浸（聚焦）法；...* 检测对象类型：金属；非金属。焊缝；板件；管件；锻件。* 检测缺陷类型：面缺陷；体缺陷。定性困难。* 数字化、智能化发展前景宽广。磁粉检测: Magnetic Testing(MT)* 漏磁场：铁磁材料磁化时磁力线由于折射而迤出到材料表面所形成的磁场称为漏磁场 * 剩磁：铁磁材料磁化时所具有的磁性在磁化电流取消后继续存在的性质称为剩磁 * 铁磁材料在磁场中被磁化后，缺陷处产生的漏磁场吸附磁粉而形成磁痕。磁痕的长度、位置、形状反映了缺陷的状态。

* 磁粉检测技术的特点：检测表面和近表面缺陷；铁磁材料； * 常用检测方法：剩磁法；连续法。* 检测对象类型：铁磁材料。焊缝；钢板；钢管；螺栓等...* 检测缺陷类型：裂纹；夹渣等...。

渗透检测：Penetrate Testing(PT)* 分子压强与表面张力：每一个离液面的距离小于分子作用半径r的分子，都受到一个指

向液体内部的力的作用。而这些表面分子及近表面分子组成的表面层，都受到垂直于液面且指向液体内部的力的作用。这种作用力就是表面层对整个液体施加的压力，该压力在单位面积上的平均值叫分子压强。分子压强是表面张力产生的原因。

* 液体润湿：液体铺展在固体材料的表面不呈球形，且能覆盖表面，此现象称液体润湿现 象。

* 毛细现象：润湿液体在毛细管内的自动上升或下降称为毛细现象。渗透检测：原理、方法与应用

* 具有润湿作用的渗透剂在毛细管作用下渗入表面开口缺陷。在显象剂作用下由于毛细管作用渗入到开口缺陷内的渗透剂被析出表面形成痕迹。* 渗透检测基本操作过程

* 渗透检测技术的特点：检测表面开口缺陷； * 常用检测方法：着色法；荧光法。* 检测对象类型：金属与非金属材料。* 检测缺陷类型：裂纹。

涡流检测：Eddy Current Testing(ET)* 由于电磁感应金属材料在交变磁场作用下产生涡流。* 金属材料中存在的裂纹将改变涡流的大小和分布，分析这些变化可检出铁磁性和非铁磁 性材料中的缺陷。

* 涡流可用以分选材质、测膜层厚度和工件尺寸以及材料的某些物理性能等。* 涡流检测技术的特点：适用于导电材料；检测近表面缺陷。* 常用检测方法：穿过式线圈；内通过式线圈；探头式线圈。* 检测对象类型：金属与非金属材料。* 检测缺陷类型：裂纹。# 1.1.2 常用无损检测方法的应用

一、应用的部门

航空、航天、机械、核工业、汽车制造、船舶、电子、钢结构、商检、进出口等。

二、应用的对象（1）缺陷探伤（2）厚度测量（3）性能测试 1.1.3 常用无损检测方法的范围及局限性 方法 应用范围 局限性

RT 各类材料的内部缺陷 表面缺陷较难发现 UT 大厚度金属和部分非金属材料的内部缺陷 仅限于弹性介质 MT 表面和近表面缺陷 仅限于磁性介质 PT 金属和部分非金属 仅限于表面开口缺陷 材料的表面缺陷 ET 表面和近表面缺陷 仅限于导电材料 1.2 材料 1.2.1 材料的性能

一、力学性能

（1）金属材料的静拉伸力学性能 * 强度：金属抗拉永久变形和断裂的能力

* 塑性：又称范性，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 * 韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力（2）金属材料的弹性性能 * 弹性（虎克定律）：

（3）金属材料在静加载下的力学性能 * 扭转性能 * 弯曲、压缩性能 * 硬度

（4）金属材料的冲击性能（5）金属材料的疲劳性能（6）金属材料的蠕变性能

二、物理性能

（1）密度、比热量、磁性、导电性、导热性等（2）光学性能（3）声学性能 # 1.2.3 金属材料中的各种缺陷及不连续性

一、不连续性：金属或合金内部结构的不均匀变化，称为不连续性。材料内结构的不连续对材料性能有影响。

二、缺陷：对金属材料的性能造成破坏的不连续性称为缺陷。因此不能简单的说：不连续就是缺陷。1.3 加工及缺陷

一、最初加工过程及相关缺陷

（1）铸造：将熔融金属浇注入铸型型腔，冷却后形成工件的加工过程；

常见的铸造缺陷：气孔、缩孔、疏松、冷裂、热裂、冷隔、偏析、夹杂。（2）塑性加工：锻、轧、拔、钣金等

常见的塑性加工缺陷：裂纹、折叠、分层、白点（氢脆）

二、制造加工过程及相关缺陷

（1）焊接：通过加热或加压，使填充材料熔化、冷却将工件连接在一起的加工方式称焊接；

常见的焊接缺陷：气孔、夹渣、未融合、未焊透、裂纹、夹珠、钨夹杂（2）表面加工：车、铣、刨、镀、磨、喷丸、吹砂等 常见的表面加工缺陷：氢脆

（3）热处理：对金属材料加温并用不同方法冷却使其组织结构发生的方法称热处理； 常见的热处理缺陷：淬裂（4）其他热加工工艺：粉末冶金等 1.4 在役中的材料 1.4.1 在役中材料的行为

受力、受压、高低温、摩擦、腐蚀...1.4.2 在役工况导致缺陷和失效

一、腐蚀：腐蚀裂纹、腐蚀坑、腐蚀减薄

二、疲劳：疲劳裂纹、疲劳断裂

三、磨损：材料减薄、摩擦裂纹

四、过负载：变形、断裂

五、脆性断裂：镉脆、氢脆

1.4.3 金属中破裂发展的概念

一、缺陷的形成（应力集中）

二、缺陷的发展（载荷）

三、断裂 # 1.5 无损检测人员管理

* 持有NDT Ⅰ级证书的人员有资格按照NDT指导书，并在II级和III级人员的监督下进行NDT操作。I级人员应能：（a）调整设备；（b）进行检测；

（c）按照文件提供的验收标准进行记录并对检测结果分类；（d）按检测结果写出检测报告。* Ⅰ级人员不应负责选择检测方法或技术。2 超声检测物理基础 2.1 声的特性及机械波的传播

* 物体在一定位置附近作来回重复的运动，称为振动。例如弹簧振子的振动。振动产生机

械波，机械波在弹性介质内传播。机械波的振动频率在每秒20次---20000次之间时，人的耳朵就能听到成为声。所以声波就是机械波的一部分。* 声的特性

① 声的产生条件：声源和传播声的弹性介质； ② 声波具有反射、折射、衍射等光学性质； ③ 声波在异质界面上发生波形转换； ④ 声的传播速度是与材料、波形、温度有关的参数。2.2 频率、振幅、波长和声速的概念

* 物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示：

x＝Acos（ωt＋φ)* 振幅A，振动质点离开平衡位置的最大位移;* 频率f，单位时间内质点振动的次数。单位为次／秒，记为“赫”（Hz）;* 波长λ，波的传播方向上相位相同的两质点之间的距离。可用公式λ ＝C/f 计算，式 中C为声速。

* 在介质中超声波传播的传播速度（即声速）与质点的振动速度是不同的。在同一固体介质中，纵波、横波、表面波的传播速度都是不同的。2.3 声阻抗

* 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用； * 声阻抗的计算：Z＝ρc； * 声波在二种介质的界面上垂直入射时的相对透过率和反射率取决于二种介质的声阻抗 比。

2.4 声波的类型

* 纵波：介质质点的振动方向和波的传播方向相同的声波称为纵波，用符号“L”表示。波速用CL表示。* 横波：介质质点的振动方向和波的传播方向垂直的声波称为横波又称切变波，用符号“S”表示。波速用CS表示。横波探伤最适用于焊逢、管材探伤。

* 波动的形式(波形)可以分为球面波，平面波、柱面波等。

* 固体介质表面的质点发生纵向振动和横向振动，两种振动合成为椭圆振动，椭圆振动在 介质表面传播，这种波称为表面波，用符号“R”表示。* 在板状介质中传播的弹性波称为板波，又称兰姆波。2.5 超声波在二种不同介质面上的行为 2.5.1 超声波的反射和折射

* 超声波在二种不同介质的界面上垂直或倾斜入射时，在第一介质内产生反射回波的性质 称为反射。

* 超声波在二种不同介质的界面上倾斜入射时，在第二介质内产生方向改变的入射波称为 折射，该入射波称为折射波。2.5.2 超声波的波型转换

* 超声波在倾斜入射时发生波型转换，即入射的纵波在反射或折射时会转换成纵波、横 波二种波；入射的横波在反射或折射时会转换成横波、纵波二种波。* 波型转换与介质的类型有关。2.5.3 超声波的衰减

* 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰 减。

由声束扩散引起的超声波衰减称为扩散衰减。

* 声束在不同声阻抗介质的界面散射引起的衰减叫做散射衰减。* 由介质吸收引起的超声波衰减称为吸收衰减。

* 由材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附着物等因素所引起的超声波的衰减称为耦合衰减。2.6 压电效应和探头 2.6.1 压电效应与压电材料

* 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两

面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。* 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。

* 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。2.6.2探头的编号方法

2.5 P 20 Z 5 Q 6×6 K3 | | | | | | | | 频率 材料 直径 直探头 频率 材料 矩形 K=3 材料： P-锆钛酸铅；B-钛酸钡；T-钛酸铅；L-铌酸锂；I-碘酸锂；N-其他 探头类型： Z-直探头； K-斜探头； SJ-水浸探头； FG-分隔探头； BM-表面探头； KB-可变角探头； 2.6.3 探头的基本结构

* 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。

* 脉冲重复频率是指超声波探伤仪在单位时间里所产生的脉冲数目；探伤频率是指在电脉冲作用下晶体每秒钟振动的次数，二者不可相提并论。

2.6.4 直探头

一、直探头的保护膜

* 压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜

有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。* 软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。

* 保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗Zm应满 足一定要求。

* 试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。

二、直探头的吸收块

为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。#

三、直探头的晶片

晶片产生和吸收超声波，常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。2.6.5 斜探头

一、结构与类型

二、透声楔

斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射角，并达到波型转换的目的。一发一收型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔，这是因为有机玻璃声学性能良好、易加工成形，但它的声速随温度的变化有所改变又易磨损，所以对探头的角度应经常测试和修正。水浸聚焦探头常以环氧树脂等材料作为声透镜材料。

三、晶片的厚度

压电晶片的振动频率f即探头的工作频率，它主要取决于晶片的厚度T和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率（即基频）是其厚度的函数。可以证明，晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。

双晶斜探头对钢板内的夹层缺陷比较敏感容易发现，而对有圆弧面的近表面气孔不易发现。2.6.7 探头的功能

使用压电材料制成的探头，要得到最佳的检测效果，必须考虑探头与仪器之间有良好的阻抗匹配。2.7 声场 2.7.1 声场

* 充满超声波的空间称为声场。声场中声能大小通常用空间的声压值表示。

* 声压P有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，该范 围的声场叫做近场。

* 声压P有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，该范围的声场叫做近场。

* 当RS »λ时，λ/4可以忽略，故： Rs2 Ds2 Rs ：探头晶片半径 N=-----=------Ds ：探头晶片直径 λ 4λ * 声源的距离≥3N的声场称为远场。2.7.2 声场的扩散

* 声束在传播过程中呈发散状态，离声源近的地方声能强，离声源远的地方声能弱；声束 在1.64N处开始发生扩散；

* 声束的形状与声源的形状有关，下图是方片与矩形片的声场形状。

* 声场的扩散性用半扩散角描述，θ0称为半扩散角，也称为指向角，2θ0范围内的声束叫做主声束； * 声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。指向角θ0愈 小，主声束越窄，声能量越集中，则探测灵敏度就越高，方向性越好，从而可以提高对缺陷的分辨力和准确判断缺陷的位置。2.7.3 声束的聚焦与发散

* 声束可以通过声透镜聚焦而做成聚焦探头，它可以聚集能量。但无论采用哪种聚焦方法，都不能把声束聚成一个很小的点。

* 声波从水通过曲表面进入工件时，声束在金属工件内将收敛(如果工件是凹面的)或发 散(如果工件是凸面的)。* 聚焦探头计算公式： C1 F= R(-------------)C1-C2 式中：F---聚焦探头的焦距；C1----第一介质纵波声速；C2---第二介质纵波声速； R---声透镜曲率半径。3 超声检测方法与耦合 3.1 穿透法

* 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法，如 图所示。

* 穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探

测，图中显示三种情况：无缺陷时的波形；缺陷阻挡部分声束时的波形；缺陷阻挡全部声束时的波形。3.2 脉冲反射法

超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。3.3 共振法

若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当工件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，若工件内存在缺陷则共振频率发生变化，利用共振频率之差，判断工件内部状态的方法称为共振法。航空航天器上常用胶接结构，脱胶处常用共振方法检测。3.4 耦合介质

一、概念

* 为了排除探头与工件表面之间的空气，在探头与工件表面之间施加的一层透声介质 称为耦合剂。

* 耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入工件达 到探伤的目的。此外耦合剂还有减少摩擦的作用。

二、耦合效果与声阻抗有关，声阻抗大耦合性能好。三、耦合介质的种类

* 甘油声阻抗高，耦合性能好，常用于一些重要工件的精确探伤，但价格较贵，对工件有腐蚀作用。* 水玻璃的声阻抗较高，常用于表面粗糙的工件探伤，但清洗不太方便，且对工件有腐蚀作用。* 水的来源广，价格低，常用于水浸探伤，但易使工件生锈。

* 机油和变压器油粘度、流动性、附着力适当，对工件无腐蚀、价格也不贵，因此是目前应用最广的耦合剂。

* 超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。它们的声阻抗Z如下：

耦合剂 机油 水 水玻璃 甘油 Z×106kg/m2 ·s 1.28 1.5 2.17 2.43 * 此外，近年来化学浆糊也常用来作耦合剂，耦合效果比较好。

* 影响耦合的主要因素有：耦合层的厚度，耦合剂的声阻抗，工件表面粗糙度和工件形状。4 检测设备

4.1 A型模拟超声波探伤仪(CTS-9006PLUS型为例)* A型扫描显示中，从荧光屏上直接可获得缺陷回波幅度（表示声能的大小）和缺陷的位 置等信息。

* A型超声探伤仪垂直线性取决于仪器放大功能的好坏而与探头与仪器的匹配无关。* A型超声探伤仪水平线性的好坏直接影响到缺陷的定位而对缺陷大小的判断无关。* A型扫描显示中，“盲区”是指由于仪器原因造成一定范围内不能探到缺陷的区域，它与近场区不能探到缺陷性质是不同的。

* A型扫描显示中，水平基线代表声波传播的时间或距离。CTS-22型仪左面板 CTS-22型仪右面板 其他模拟超声波仪器 4.2 B型和C型超声波探伤仪

* B型显示超声波探伤仪能显示扫查方向的截面上的图象； * C型显示超声波探伤仪则能显示扫查面上的投影图象。4.3 数字超声波探伤仪 其他数字超声仪 4.4 袖珍数字式超声测厚仪 检测系统的校准 5.1 试块简介 5.1.1 试块的用途 * 测试或校验仪器和探头的性能； * 确定探测灵敏度和缺陷大小； * 调整探测距离和确定缺陷位置； * 测定材料的某些声学特性。5.1.2 试块的分类（主要分二类）*

标准试块

* 对比试块（参考试块）

其他叫法：校验试块、灵敏度试块；平底孔试块、横孔试块、槽口试块；锻件试块、焊缝试块等。1.荷兰试块

* 1955年荷兰人提出；1958年国际焊接学会通过并命名为IIW试块；ISO组织推荐使用。* 类似的有：中国CSK-IA、日本STB-A1、英国BS-A、西德DIN54521…… 2.CSK-IA试块：中国的改型试块

CSK-IA试块的主要用途： ① R50、R100圆弧：

扫描线比例校准； ② 上下表面刻度：斜探头K值校准；

③ φ50、φ

44、φ40孔：斜探头分辨率测定； ④ 89、91、100mm 台阶：直探头分辨率测定； ⑤ φ50孔：盲区测定。3.CSK-IIA / CSK-IIIA 5.2 仪器扫描线（速度）比例校准（1）直探头扫描线校准

将直探头放于CTS-IA试块的100厚度上，取第一底面反射回波，通过距离调节按钮使该回波在100mm位置上即可。

（2）斜探头扫描线校准

* 斜探头调整仪器扫描线比例是为了识别缺陷波和判定缺陷位置。

一、入射点、前沿测试

* 如图，斜探头入射到R100圆弧上，左右移动探头找到最大反射回波；如果试块上有圆心

刻度，则刻度对应处为入射点；如果试块上无圆心刻度则用钢尺量，使钢尺100处对准试块圆弧端，钢尺0点即为入射点；使钢尺0点对准探头前端点，差值即为前沿。

* 斜探头入射点会改变，其主要原因是楔块长期磨损变薄，所以要经常测试入射点。

二、斜探头K值测试

* 如图，斜探头分别入射到试块的二个圆上，左右移动探头找到最大反射回波；探头入射点所对应的刻度即K。

三、声束偏转角测定

* 概念：主声束中心线与声轴间的夹角称为声轴偏转角。

* 测定：探头置于试块面上，旋转移动找到最大回波，测定探头中心线与试块上表面垂线 间的夹角。

录象：入射点、前沿、斜探头K值测试

四、按声程1：1调节

概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程；

方法：斜探头放于CTS-IA试块的R100、R50处，找到最大回波，分别放于100、50刻度处。

五、按深度1：1调节

六、概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程的垂直 投影，即深度值；

方法：斜探头放于CTS-IA试块的R50、R100处，找到最大回波，分别放于h1、h2刻度处。h1、h2根据K值计算。

六、按水平1：1调节

概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程的水平投影，即水平值；

方法：斜探头放于CTS-IA试块的R50、R100处，找到最大回波，分别放于L1、L2刻度处。L1、L2根据K值计算。

应用

6.1 焊缝检测程序：

⑴ 斜探头基本参数测定：入射点、前沿、K值（测量三次取平均值）⑵ 扫描速度调节（通常按深度调节）⑶ 灵敏度确定：

* 确定探头灵敏度最常用的方法是用人工缺陷反射信号的幅值来确定。

焊缝检测常用横孔作为人工缺陷，制作出距离-波幅曲线，依此对缺陷作出判断。焊缝检测用的距离-波幅曲线有二种：分贝曲线、面板曲线。

* 超声检测系统的灵敏度取决于探头、脉冲发生器和放大器（仪器）。分贝曲线 * 在对接焊缝超声波探伤中，若要计入表面补偿6dB，“距离一分贝”曲线的三条线同时下 移 6dB。

* JB4730-94标准中规定用于制作“距离--波幅”曲线的试块是： CSK-IIA和CSK-IIIA 面板曲线

⑷ 检测（扫描）技术

* 声波与入射面垂直时得到最大的反射回波，如果被检工件的上下两平面不平行，工件中 缺陷信号幅值将不会显示。

* 必须选择入射声波与缺陷面的入射角度。

* 由于气孔通常是圆球形的，其反射波是发散的，所以超声波探测气孔时，反射波较低。

* 超声波垂直入射到表面粗糙的缺陷与入射到尺寸相同而表面光滑的缺陷相比，表面粗糙的缺陷反射波低，能量损失大。

* 用超声波检查板厚100mm以上的焊缝中垂直表面的裂纹，采用最有效的方法是串列法。

⑸缺陷定位、定量

* 深度定位

* 当量法定量 ⑹ 记录与报告

7.法规、标准、技术条件和规程

7.1 与超声检测特别有关的法规、标准和技术条件

（1）GB/T 11345-89 钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级（2）GB/T 29712-2013（3）GB/T 29711-2013（4）GB 50205-2001

7.3 检测规程

7.3.1 检测规程制定和执行程序

① 无损检测工程师和无损检测 III 级人员具有制定检测规程的资格； ② 制定-审核-批准-使用 修定-审核-批准-使用 7.3.2 检测规程类型 ① 通用规程： 内容 实例

* 被检件相关参数 * 检测与验收标准 * 人员资格 * 设备与器材（仪器型号、探头、耦合剂等）* 方法与技术（采用、扫查方式）* 其他事项 7.3.3 工艺卡 ②专用工艺规程

针对某一具体检测对象制定的工艺程序 ③工艺卡

一、工艺卡的生成

表格形式集中显示专用工艺规程中的工件参数、工艺参数，验收依据等数据，是操作者的工作依据。

二、工艺卡的执行和修订

三、根据工艺卡进行检测 8.结果的记录和评定

8.1 记录：记录实际操作的工艺参数 表格的填写 8.2 评定： 8.3 报告：表格的填写

第三篇：无损检测工作技术总结

无损检测工作技术总结

报考项目: RT 论文题目: 浅谈小径管透照布置的选择

姓 名: 庞 兵

工作单位: 安徽津利能源科技发展有限责任公司

浅谈小径管透照布置的选择

随着近年来电力行业趋势不断上升，射线检测作为无损检测方法的一个重要方法，射线检测在电站安装中具有与其它无损检测方法不可替代的优越性。电站锅炉主要以小口径管对接接头为主，多采用射线检测。笔者近期参与完成了***发电厂(2×1000MW)超超临界燃煤发电机组安装工程的无损检测工作，对射线检测小径管时透照位置的选择有了新的认识和理解。

1.小径管透照在实际应用中暴露的问题：

在某电厂安装项目现场抽查中发现炉管焊缝存在大量的根部裂纹（见附图一、二），而这些焊缝则是已在预制厂检测合格的焊口。为什么会造成这种现象呢？为此笔者分析了产生这种现象原因。该炉管材质为T92规格为Φ51×8mm，检测执行标准JB/T4730.2-2005，技术等级AB级，Ⅱ级合格。在预制阶段由于条件较好，所以按JB/T4730.2-2005标准规定采用椭圆成像法透照，相隔90度透照2次。在这一阶段也发现了少量的根部裂纹，但并未引起检测人员的足够重视。在炉管组装运抵现场后由于现场条件的限制没有采用椭圆成像法透照而是采用垂直透照的方法进行检测，相隔120度透照3次重叠成像，结果发现了大量的根部裂纹。为保证产品质量我们要求对所有运抵现场的炉管按用垂直透照的方法进行100%重新检测，同时要求预制厂在预制阶段也采用同样的方式进行检测。但这一要求似乎并不完全符合JB/T4730.2-2005的规定，检测单位对此也有所顾忌。

2.小径管经常采用倾斜透照椭圆成像的原因 小径管通常是指外直径Do小于或等于100mm的管子，在射线检测中倾斜透照椭圆成像通常是首选。小径管采用倾斜透照椭圆成像可以将源侧和胶片侧焊缝影像分开便于影像的评定及缺陷的定位返修，而且在大多数条件下有较少透照次数，这样既可以减少成本又可以提高检测效率保证工程进度。笔者认为小径管采用倾斜透照椭圆成像检测工艺优化的体现，是质量、费用、进度及返修难易程度相互平衡的共同结果。实践证明此方法确实是一种行之有效地透照方法，在可以实施的情况下也确应采用。垂直透照重叠成像的方法对于根部裂纹、根部未熔、根部未焊透等根部面状缺陷的检出率较高，但发现缺陷后由于分不清是源侧还是胶片侧的缺陷会对缺陷的定位返修造成不便。焊缝表面的不规则也会影像的评定造成一定的影响，此外在检测成本、检测进度上也略逊于倾斜透照，它出常常作为倾斜透照的一种补充方法加以应用。综上原因在射线检测中经常采用倾斜透照椭圆成像。

附图一 3.透照角度对小径管裂纹检出的影响 射线检测中对于缺陷的检出主要是通过裂纹检出角来控制的，它是假想裂纹垂直于工件表面来进行研究的，垂直于工件表面的裂纹也是危害性最大一种缺陷，因此它是射线检测重要控制的缺陷。裂纹检出角分为横向裂纹检出角和纵向裂纹检出角。实验证明，透照角度在10度以下时裂纹的识别情况变化不大，但透照角度超过15度时随着透照角度的增大裂纹不能识别的情况就会增大很多，裂纹的检出率会显著降低。

附图二

在JB/T4730.2-2005中透照方向实际上是对纵向裂纹检出角的控制，但标准并未规定角度的控制范围。而一次透照长度是以透照厚度比K的形式间接的控制横向裂纹检出角的大小。无论是倾斜透照椭圆成像透照2次或3次，还是垂直透照重叠成像透照3次其对横向裂纹检出角的要求是基本相同的，但倾斜透照椭圆成像透照的纵向裂纹检出角要明显大于垂直透照重叠成像透照。按标准规定，椭圆成像时影像开口宽度为1倍焊缝宽度左右，当g（焊缝宽度）≤D0/4时倾斜透照的角度约为25.56度,此时纵向裂纹的检出率将大大下降。此时椭圆成像过大的透照角度可能会导致根部面状缺陷的漏检，因此在可能存在根部面状缺陷时椭圆成像的方法应慎用。

附图三

4.对JB/T4730.2-200

5小径管透照布置的理解

JB/T4730.2-2005标准中射线检测的透照布置分为5条，即透照方式、透照方向、一次透照长度、小径管的透照布置和透照次数。其实后2条仅是针对小径管这一特定检测对象而言的，其含义也包含于前3条之 中：

1）小径管的透照布置无论是倾斜透照还是垂直透照都为双壁双影法。2）小径管的透照方向是通过椭圆的开口度来控制的，倾斜透照时有一定的透照角度，垂直透照时透照就角度为0o。小径管透照布置规定，当同时满足T（壁厚）≤8mm； g（焊缝宽度）≤Do /4时应采用倾斜透照方式椭圆成像，而JB/T4730.2-2005中4.1.2条（透照方向）规定透照时射线束中心一般应垂直指向透照区中心，需要时也可选用有利于发现缺陷的方向透照。因此从这一方面看小径管的透照布置与4.1.2条的 要求是相互矛盾的。3）小径管透照次数是一次透照长度的体现。无论是倾斜透照椭圆成像透照2次或3次，还是垂直透照重叠成像透照3次其透照厚度比K都约为1.7左右。从小径管的K值我们可以看出小径管的K值其实已经不 能够满足标准的要求，标准之所以这样规定只是优化工艺的结果。因此我们对标准的执行也要灵活应用，不能照抄照搬。在检测中如已发现许多根部面状缺陷或对缺陷的检出率存在疑问时应采用垂直透照进行补充检测，在已经发现大量根部面状缺陷时要直接采用垂直透照进行检测。这样才能提高根部面状缺陷检出率来保证产品质量，才能真正做到质量、费用、进度的协调统一，此时的才能算是优化的工艺。

5.通过以上的分析及笔者在实际中的应用，笔者认为不要死执行标准，而要理解标准，从检测的原理出发了解标准制定的原理及目的，这样才能更好的应用标准服务于实际检测工作。同时笔者也认为JB/T4730.2-2005对小径管透照布置的规定过于刚性，使许多检测单位在实际检测中过于拘谨。这是笔者个人的一些观点和看法希望能够得到广大同仁的指教。

第四篇：无损检测工作技术总结

无损检测工作技术总结

总结人：XXX

XXXXXX有限公司

我于2012年7月毕业于XXXXXX，持有中国电力工业无损检测超声、磁粉I级资质和电力工业理化检验光谱、金相I级资质。毕业后一直就职于XXXXXXX有限公司，在公司承接的锅炉、压力管道等特种设备施工过程中承担无损检测工作。在这一年的工作中，积极完成各项探伤任务，寻求新的方法以解决检测中碰到的难题，并且努力提高自己的技术水平，提高工作效率。

随着我国工业化进程不断推进，电站和化工行业也相继增多，按照图纸技术条件及规范要求，对于各种压力管道、压力容器和承压部件焊接焊缝需进行规定比例的超声及X射线探伤，所以无损检测行业也越来越普遍。下面浅谈一下小径管透照方法和技术要求及钢焊缝射线照相底片缺陷影像的识别：

I外径D。≤100mm的管子称为小径管，一般采用双壁双影法透照其对接环缝。按照被检焊缝在底片上的影像特征，又分椭圆成像和重叠成像两种方法。当同时满足下列两条件，a)T(壁厚)≤8mm；

b)g(焊缝宽度)≤D0/

4时采用倾斜透照方式椭圆成像。椭圆成像时，应控制影像的开口宽度(上下焊缝投影最大间距)在1倍焊缝宽度左右。不满足上述条件或椭圆成像有困难时可采用垂直透照方式重叠成像。

透照布置（1）椭圆成像法胶片暗袋平放，射线源焦点偏离焊缝中心平面一定距离（称为偏心距L。），以射线束的中心部分或边缘部分透照被检焊缝。偏心距应适当，可按椭圆开口宽度（q）的大小

算出。

L。=（b+q）L1/L

2式中L1为射线源到近源处环焊缝表面的水平距离，L2为外径加上焊缝余高；

如偏心距太大，椭圆开口宽度过大，窄小的根部缺陷（裂纹、未焊透等）有可能漏检，或者因影像畸变过大，难于判断。偏心距太小，椭圆开口宽度过小，又会使源侧焊缝与片侧焊缝根部缺陷不一分开。

（2）重叠成像法对直径小（D。≤20mm），或壁厚大（T>8mm），或焊缝宽（g>D。/4）的管子，或是为了重点检测根部裂纹和未焊透等特殊情况下，可使射线垂直透照焊缝，此时胶片宜弯曲贴合焊缝表面，以尽量减少缺陷到胶片距离。当发现不合格缺陷后，由于不能分清缺陷是处于射线源测或胶片侧焊缝中，一般多做整圈返修处理。小径管环向对接接头的透照次数

小径管环向对接焊接接头100%检测的透照次数:采用倾斜透照椭圆成像时，当T/Dn≤0.12时，相隔90°透照2次。当T/D0>0.12时，相隔120°或60°透照3次。垂直透照重叠成像时，一般应相隔120°或60°透照3次。

由于结构原因不能进行多次透照时，可采用椭圆成像或重叠成像方式透照一次。鉴于透照一次不能实现焊缝全长的100%检测，此时应采取有效措施扩大缺陷可检出范围，并保证底片评定范围内黑度和灵敏度满足要求。

II钢焊缝射线照相底片缺陷影像的识别

1焊接缺陷影像的显示特征

焊接缺陷的影像特征基本取决于焊缝中缺陷的形态、分布、走向和位置，因射线透照角变化而造成的影像畸变或影像模糊也应予以充分考虑；对缺陷特性和成因的充分了解和经验，有助于缺陷的正确判断。必要时，应改变射线检测方案重新拍片；也可对可疑影像进行解剖分析，这样可以减少误判和漏判。

缺陷影像的判定，应依据三个基本原则：

a影像的黑度(或亮度)分布规律。如气孔的黑度变化不大，属平滑过渡型；而夹渣的黑度变化不确定，属随机型。

b影像的形态和周界。如裂纹的影像为条状，且必有尖端；而未焊透或条状夹渣虽然也是条状的，但一般不可能有尖端。未焊透的两边周界往往是平直的，而夹渣的周围往往是弧形不规则的，而气孔的形态大多是规则的。

c影像所处的部位。如破口边沿未熔合往往产生于焊接坡口的熔合面上，因此大多出现在焊缝轴线的两侧；而未焊透则多出现在焊缝轴线上。

2缺陷影像的识别

2.1气孔在底片上的形貌：

呈暗色斑点，中心黑度较大，边缘较浅平滑过渡，轮廓较清晰。形状：圆形、椭圆形、长条形、虫形等。

形态：单个、分散、密集、链状等。分布在焊缝中任意部位。

2.2非金属夹渣在底片上的形貌

呈暗色斑点，黑度分布无规律，轮廓不圆滑，小点状夹渣轮廓较不清晰。形状较不规测，点状、长条形、块状，有时带尖角。

形态：单个或分散、密集（网状）、长条断续等。分布在焊缝中任意部位。

2.3夹钨（金属夹渣）

呈亮点，轮廓清晰。为圆形、椭圆形、长条形或呈开花状。形态：单个、分散、密集等。氩弧焊打底电弧焊盖面的焊缝分布在根部；全氩焊焊缝在焊缝任意部位。

2.4未焊透在底片上的形貌

大多呈清晰的暗色直线条或带，宽窄取决于对口间隙。无对口间隙的所形成的未焊透呈现一条笔直的暗线。

一般处于焊缝影像的中间，顺焊缝轴线延伸；因透照偏或焊偏，也可能偏向一侧。

2.5未熔合在底片上的形貌：

根部未熔合的典型影象是一条细直黑线，线的一侧轮廓整齐且黑度较大，为坡口钝边痕迹，另一侧轮廓可能较规则也可能不规则，根部未熔合在底片上的位置应是焊缝根部的投影位置，一般在焊缝中间．因坡口形状或投影角度等原因也可能偏向一边。

坡口未熔合的典型影象是连续或断续的黑线，宽度不一，黑度不均匀，一侧轮廓较齐，黑度较大，另一侧轮廓不规则，黑度较小，在底片上的位置一般在焊缝中心至边缘的1／2处，沿焊缝纵向延伸。

层间未熔合的典型影象是黑度不大的块状阴影，形状不规则，如伴有夹渣时，夹渣部位的黑度较大。较小时，底片上不易发现。

对未熔合缺陷评判，要持慎重态度，因为有时与夹渣很难区分，尤其是层间未熔合容易误判。一般与夹渣的区别在于黑度的深浅和外貌形状规则等。

2.6裂纹在底片上的形貌：

呈不直的暗细线，端部尖细。热裂纹走向曲折，有分叉；冷裂纹走向不曲折没有分叉。

形态：单条、断续。在焊缝根部、焊道内、热影响区及弧坑等相应部位均可呈现。

无损检测工作是锅炉压力容器和化工压力管道等特种设备安全运行的重要保障之一，要求从事无损检测工作人员要有高度的责任心，特别是从事X射线探伤工作，不仅要做好个人防护，也要防止他人受到伤害。

第五篇：油气管道无损检测技术

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油气管道无损检测技术

管道作为大量输送石油、气体等能源的安全经济的运输手段,在世界各地得到了广泛应用,为了保障油气管道安全运行,延长使用寿命,应对其定期进行检测,以便发现问题,采取措施。

一、管道元件的无损检测

（一）管道用钢管的检测

埋地管道用管材包括无缝钢管和焊接钢管。对于无缝钢管采用液浸法或接触法超声波检测主要来发现纵向缺陷。液浸法使用线聚焦或点聚焦探头,接触法使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探头。所有类型的金属管材都可采用涡流方法来检测它们的表面和近表面缺陷。对于焊接钢管，焊缝采用射线抽查或100 %检测，对于100 %检测，通常采用X射线实时成像检测技术。

（二）管道用螺栓件

对于直径> 50 mm 的钢螺栓件需采用超声来检测螺栓杆内存在的冶金缺陷。超声检测采用单晶直探头或双晶直探头的纵波检测方法。

二、管道施工过程中的无损检测

（一）各种无损检测方法在焊管生产中的配置

国外在生产中常规的主要无损检测配置如下图一中的A、B、C、E、F、G、H工序。我国目前生产中的检测配置主要岗位如下图中的A、C、D、E、F、G、H工序。

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图一 大口径埋弧焊街钢管生产无损检测岗位配置

（二）超声检测

全自动超声检测技术目前在国外已被大量应用于长输管线的环焊缝检测，与传统手动超声检测和射线检测相比，其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染和降低作业强度等方面有着明显的优越性。

全自动相控阵超声检测系统采用区域划分方法，将焊缝分成垂直方向上的若干个区，再由电子系统控制相控阵探头对其进行分区扫查，检测结果以双门带状图的形式显示，再辅以TOFD(衍射时差法)和B扫描功能，对焊缝内部存在的缺陷进行分析和判断。

全自动超声波现场检测时情况复杂，尤其是轨道位置安放的精确度、试块的校准效果、现场扫查温度等因素会对检测结果产生强烈的影响，因此对检测结果的评判需要对多方面情况进行综合考虑，收集各种信息，才能减少失误。

（三）射线检测

射线检测一般使用X 射线周向曝光机或γ射线源，用管道内爬行器将射线源送入管道内部环焊缝的位置，从外部采用胶片一次曝光，但胶片处理和评价需要较长的时间，往往影响管道施工的进度，因此，近年来国内外均开发出专门用于管道环焊缝检测的X 射线实时成像检测设备。

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图二 管道环焊缝自动扫描X射线实时成像系统

图二为美国Envision公司生产的管道环焊缝自动扫描X射线实时成像系统，该设备采用目前最先进的CMOS成像技术，用该设备完成Φ 609mm(24 in)管线连接焊缝的整周高精度扫描只需1～2 min，扫描宽度可达75 mm，该设备图像分辨率可达80μm，达到和超过一般的胶片成像系统。

（四）磁粉检测

磁粉检测的基础是缺陷处漏磁场与磁粉的磁相互作用。铁磁性材料或工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面或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。

国内很少对焊管坡口面进行磁粉检测。国外使用的自动检测系统，主要采用荧光磁悬液湿法检测。自动磁粉检测设备采用磁化线圈在钢管壁厚方向对坡口面局部磁化，同时在坡口表面喷洒荧光磁悬液，凭借在该部位装置的高分辨率摄像系统，将磁化、磁悬液喷洒区域的影像传输在旁边的监视屏上，操作人员监视屏幕，就可以及时发现磁痕影像，找出缺陷。

磁粉检测适用于检测铁磁性材料表面和近表面的缺陷，因此对于奥氏体不锈钢和有色金属等非铁磁性材料不能用磁粉检测的方法进行探伤。由

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于马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢具有磁性，因此可以进行磁粉检测。磁粉检测可以发现表面和近表面的裂纹、夹杂、气孔、未熔合、未焊透等缺陷，但难以发现表面浅而宽的凹坑、埋藏较深的缺陷及与工件表面夹角极小的分层。

三、钢质管道管体无损检测技术

钢质管道管体的无损检测，主要就是管体的完整性（如剩余壁厚、管道缺陷、表面腐蚀形态、腐蚀产物类型、腐蚀深度等）检测。表一列出了目前常用的管道检测技术及其检测内容。

表一 管道检测技术分类

（一）弹性波检测技术

弹性波检测是利用管道泄漏引起的管道内压力波的变化来进行诊断定位，一般可分为声波、负压力波和压力波三种。其主要工作原理是利用安置好的传感器来检测管道泄漏时产生的弹性波并进行探测定位。这种技术的关键是区分正常操作时和发生泄漏时的弹性波。目前有两种方法，一

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种是利用硬件电路的延时来进行信号过滤，另一种是结合结构模式识别和神经网络来区分正常操作时和发生事故时产生的不同波形，从而更好地监测管道的运行。

（二）漏磁通检测技术

漏磁式管道腐蚀检测设备的工作原理是利用自身携带的磁铁，在管壁圆周上产生一个纵向磁回路场。如果管壁没有缺陷，则磁力线封闭于管壁之内，均匀分布。如果管内壁或外壁有缺陷，则磁通路变窄，磁力线发生变形，部分磁力线将穿出管壁产生漏磁。漏磁检测原理图三所示。

图三 漏磁检测原理

漏磁场被位于两磁极之间的紧贴管壁的探头检测到，并产生相应的感应信号。这些信号经滤波、放大、模数转换等处理后被记录到检测器上的存储器中，检测完成后，再通过专用软件对数据进行回放处理、判断识别。

从整个检测过程来说，漏磁检测可分为图四所示的四个部分：

图四 漏磁检测流程图

漏磁检测技术的优点：（1）易于实现自动化；较高的检测可靠性；（2）可以实现缺陷的初步量化；（3）在管道检测中，厚度达到30mm的壁厚范

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围内，可同时检测内外壁缺陷；（4）高效，无污染，自动化的检测可以获得很高的检测效率。

漏磁检测技术的局限性：（1）只适用于铁磁材料；（2）检测灵敏度低；（3）缺陷的量化粗略；（4）受被检测工件的形状限制由于采用传感器检测漏磁通，漏磁场方法不适合检测形状复杂的试件；（5）漏磁探伤不适合开裂很窄的裂纹，尤其是闭合型裂纹；（6）不能对缺陷的类型或者缺陷的严重程度直接作定量性的分析。

（三）超声波检测技术

管道超声检测是利用现有的超声波传感器测量超声波信号往返于缺陷之间的时间差来测定缺陷和管壁之间的距离；通过测量反射回波信号的幅值和超声波探头的发射位置来确定缺陷的大小和方位。

图五为超声波检测原理图, 图中Wt代表管道正常壁厚, SO代表超声波探头与管道内表面间的标准位移。

图五 超声波检测原理图

超声波检测技术的优点：（1）检测速度快，检测成本低；（2）检测厚度大，灵敏度高；（3）缺陷定位较准确；（4）对细微的密闭裂纹类缺陷灵

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敏度高。

超声波检测的缺点：（1）由于受超声波波长的限制，该检测法对薄管壁的检测精度较低，只适合厚管壁，同时对管内的介质要求较高；（2）当缺陷不规则时，将出现多次反射回波，从而对信号的识别和缺陷的定位提出了较高要求；（3）由于超声波的传导必须依靠液体介质，且容易被蜡吸收，所以超声波检测器不适合在气管线和含蜡高的油管线上进行检测，具有一定局限性。

（四）电磁超声检测

电磁超声技术（EMAT）是20世纪70年代发展起来的无损检测新技术。这一技术是以洛仑兹力、磁致伸缩力、电磁力为基础，用电磁感应涡流原理激发超声波。

电磁超声的发射和接收是基于电磁物理场和机械波振动场之间的相互转化，两个物理场之间通过力场相互联系。从物理学可知，在交变的磁场中，金属导体内将产生涡流，同时该电流在磁场中会受到洛仑兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。与之相反，该效应具有可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。人们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。

与传统压电超声换能器相比，EMA的优点主要有：（1）非接触检测，不需要耦合剂；（2）可产生多种模式的波，适合做表面缺陷检测；（3）适合高温检测；（4）对被探工件表面质量要求不高；（5）在实现同样功能的油气储运前言知识讲座

前提下，EMAT探伤设备所用的通道数和探头数都少于压电超声；（6）发现自然缺陷的能力强，对不同的入射角有明显的端角反射，对表面裂纹检测灵敏度较高。

EMA的缺点：（1）EMAT的换能效率要比传统压电换能器低20—40dB；（2）探头与试件距离应尽可能小；（3）EMAT仅能应用于具有良好导电性能的材料中。

（五）涡流检测技术

涡流检测技术是目前采用较为广泛的管道无损检测技术，其原理为：当一个线圈通交变电时，该线圈将产生一个垂直于电流方向（即平行于线圈轴线方向）的交变磁场，把这个线圈靠近导电体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出涡电流（简称涡流），其方向垂直于磁场并与线圈电流方向相反。导电体中的涡流本身也要产生交变磁场，该磁场与线圈的磁场发生作用，使通过线圈的磁通发生变化，这将使线圈的阻抗发生变化，从而使线圈中的电流发生变化。通过监测线圈中电流的变化（激励电流为恒定值），即可探知涡流的变化，从而获得有关试件材质、缺陷、几何尺寸、形状等变化的信息。

涡流检测技术可分为常规涡流检测、透射式涡流检测和远场涡流检测。常规涡流检测受到趋肤效应的影响，只适合于检测管道表面或者亚表面缺陷，而透射式涡流检测和远场涡流检测则克服了这一缺陷，其检测信号对管内外壁具有相同的检测灵敏度。其中远场涡流法具有检测结果便于自动化检测(电信号输出)、检测速度快、适合表面检测、适用范围广、安全方便以及消耗的物品最少等特点，在发达国家得到广泛的重视，广泛用于在油气储运前言知识讲座

用管道的检测。

涡流检测技术的优点：（1）检测速度高，检测成本低，操作简便；（2）探头与被检工件可以不接触，不需要耦合介质；（3）检测时可以同时得到电信号直接输出指示的结果，也可以实现屏幕显示；（4）能实现高速自动化检测，并可实现永久性记录。

涡流检测技术的缺点：（1）只适用于导电材料，难以用于形状复杂的试件；（2）只能检测材料或工件的表面、近表面缺陷；（3）检测结果不直观，还难以判别缺陷的种类、性质以及形状、尺寸等；（4）检测时受干扰影响的因素较多，易产生伪显示。

（六）激光检测技术

激光检测系统主要包括激光扫描探头、运动控制和定位系统、数据采集和分析系统三个部分，利用了光学三角测量的基本原理。与传统的涡流法和超声波法相比，激光检测（或轮廓测量）技术具有检测效率高、检测精度高、采样点密集、空间分辨力高、非接触式检测，以及可提供定量检测结果和提供被检管道任意位置横截面显示图、轴向展开图、三维立体显示图等优点。

但是激光检测方法只能检测物体表面，要全面掌握被测对象的情况，必须结合多种无损检测方法，取长补短。

（七）管道机器人检测技术

管道机器人是一种可在管道内行走的机械，可以携带一种或多种传感器，在操作人员的远端控制下进行一系列的管道检测维修作业，是一种理想的管道自动化检测装置。

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一个完整的管道检测机器人应当包括移动载体、视觉系统、信号传送系统、动力系统和控制系统。管道机器人的主要工作方式为: 在视觉、位姿等传感器系统的引导下，对管道环境进行识别，接近检测目标，利用超声波传感器、漏磁通传感器等多种检测传感器进行信息检测和识别，自动完成检测任务。其核心组成为管道环境识别系统（视觉系统）和移动载体。目前国外的管道机器人技术已经发展得比较成熟，它不仅能进行管道检测，还具有管道维护与维修等功能，是一个综合的管道检测维修系统。

四、管道外覆盖层检测技术

（一）PCM检测法

PCM（多频管中电流检测法）评价的核心是遥控地ICI电流信号的张弱来控制发射到管道表ICI的电流，通过检测到的电流变化规律，进而判断外防腐层的破损定位与老化程度。加载到管道上的电流会产生相应的电磁场，磁场张弱与加载电流的大小成正比，同时随着传输距离增大，电流信号逐渐减小。当管道外涂层有破损时，电流通过破损点流向大地，该点处的电流衰减率突然增大，可判定外涂层破损点的位置。

但PCM法对较近的多条管道难以分辨、在管道交叉、拐点处及存在交流电干扰时，测得数据误差大。

（二）DCVG检测技术

DCVG（直流电压梯度测试技术）的原理是对管道上加直流信号时，在管道防腐层破损裸漏点和土壤之间会出现电压梯度。在破损裸漏点附近部位，电流密度将增大，电压梯度也随着增大。普遍情况下，裸漏面积与电

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压梯度成正。直流电压梯度检测技术就是基于上述原理的。

在用DCVG测量时，为了便于对信号的观察和解释，需要加一个断流器在阴极保护输出上。测量过程中，沿管线以2m的间隔在管顶上方进行测量。

DCVG的优点为能准确地测出防腐层的破损位置，判断缺陷的严重程度和估计缺陷大小，之后根据检测结果提供合理的维护和改造建议；测量操作简单，准确度高，在测量过程中不受外界干扰，几乎不受地形影响。缺点在于整个过程需沿线步行检测，不能指示管道阴极保护的效果和涂层剥离；环境因素会引起一定误差，如杂散电流、地表土壤的电阻率等。

（三）Pearson检测法

Pearson检测法（皮尔逊检漏法）的原理是对管道施加交流信号，此信号会通过管道防腐层的破损点处流失到土壤中，因此距离破损点越远，电流密度越小，破损点的上方地表形成一个交流电压梯度。检测过程中，两位测试员相距3~6m，脚穿铁钉鞋或手握探针，将各探测的的电压信号发回接收装置，信号经滤波、放大，即能得到检测结果。

Pearson检测法是目前国内最常用的检测技术，其优点是：（1）有较成熟的使用经验，并且检测速度较快，能沿线检测防腐层破损点和金属物体；（2）能识别破损点大小，还能测到微小漏点，长输管道的检测与运行维护中有良好的使用反馈。

Pearson检测法的不足之处在于，（1）整个检测过程需步行；（2）不能指明出缺陷的损坏程度；（3）对操作者的技能求高；（4）在水泥或沥青地面上检测接地困难。

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（四）标准管/地（P/S）电位测试法

标准管/地（P/S）电位测试法的原来是采用万用表来测接地Cu/CuS04电极与管道表ICI某监测点之间的电位，通过电位与距离构成的曲线了解电位的分布，把当前电位与以往电位区别开来，可用检测来的阴极保护电位来判定是否对管道外涂层起保护作用。

目前,地面测量管道保护电位的通用方法就是标准管/地电位测试法，其优点是无需开挖管道、现场取得数据容易、检测速度快(每天10~50km)。一般情况,每隔1km左右设一个测试桩，所以这种方法只能总体评估这一管段的防腐层，不能详细地评价防腐层缺陷，不能确定防腐层的缺陷位置以及缺陷的分布情况。故此方法不适合用于无阴极保护或测试桩的管道。