丁　鋒，姜樹杰（天津冶金職業(yè)技術(shù)學院，天津300400）

無損檢測技術(shù)在冶金設(shè)備機械安檢中的應(yīng)用

丁鋒，姜樹杰
（天津冶金職業(yè)技術(shù)學院，天津300400）

分析了超聲波檢測、紅外熱像無損檢測、超聲紅外熱像檢測、激光全息檢測等幾種無損檢測技術(shù)在冶金機械設(shè)備安檢中的應(yīng)用情況。無損檢測技術(shù)能夠為安檢操作人員提供快速準確的決策依據(jù)，是冶金生產(chǎn)消除故障隱患、保證安全生產(chǎn)的重要手段。

超聲檢測；紅外檢測；激光檢測；缺陷；探傷

1　引言

隨著現(xiàn)代冶金工業(yè)的快速發(fā)展，對冶金機械設(shè)備的生產(chǎn)效率、連續(xù)性生產(chǎn)的安全性和可靠性提出了越來越高的要求。無損檢測技術(shù)在不改變設(shè)備原有結(jié)構(gòu)、特性的前提下，能夠向安檢操作人員提供快速準確的決策依據(jù)，已成為消除故障隱患，保證安全生產(chǎn)的重要手段。無損檢測是根據(jù)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕菟鸬膶帷⒙?、光、磁等反應(yīng)的變化，對設(shè)備狀況做出判斷和評價。冶金機械設(shè)備安全檢測中常用的監(jiān)測手段包括有超聲波檢測、紅外熱成像、激光檢測、渦流檢測及全息照相等[1-2]。

2　超聲波檢測

超聲波的頻率高于20 kHz，超出人能接受到的20 Hz~20 kHz的頻率范圍（低于20 Hz的為次聲波）。超聲波分為橫波、縱波和表面波，在傳播過程中方向性好，穿透能力強，在傳播過程中若遇到不同介質(zhì)時，會在兩種介質(zhì)的交界處產(chǎn)生反射。超聲波無損探傷利用超聲波的這一性質(zhì)來進行檢測。一旦設(shè)備內(nèi)存在缺陷，即使十分細小的裂紋，也會造成超聲波不能繼續(xù)傳播的阻擋層，使通過這種裂紋的超聲波聲能大幅降低。常用的超聲波檢測有透射檢測法和脈沖反射法兩種。利用透射法檢測時，將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭分別放置在被檢測試件的兩側(cè)，這樣利用監(jiān)測接受探頭所接收到的超聲波聲能的強度即可獲得材料內(nèi)部缺陷的信息[3]。為保證探頭和試件之間具有良好的聲耦合，通常需要輔以耦合劑，用以排出探頭與工件間的空氣薄層，消除不同介質(zhì)界面間強烈雜亂反射波對測量結(jié)果的干擾。脈沖反射法測試是將發(fā)射探頭放置于被檢測工件的表面并來回移動，探頭發(fā)出的超聲波以聲速向工件內(nèi)部傳播，如果工件內(nèi)部沒有缺陷，超聲波只有傳到工件的底部時才會發(fā)生反射，那么顯示屏上只呈現(xiàn)始脈沖T和底部反射脈沖B。一旦工件中存有缺陷，聲波在向底部傳播中會有一部分聲波因缺陷的存在而產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播至工件的底部才發(fā)生反射。這樣在顯示屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還會呈現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖1所示。顯示屏上的水平時間基線的長度與工件的厚度成正比，因此，通過缺陷脈沖在顯示屏上的位置和幅值可大致確定缺陷在工件中的位置和缺陷面積的大小，缺陷脈沖的幅度越高，說明缺陷面積越大。利用超聲波可對1 mm至幾米的金屬、非金屬、復合材料的被測對象進行無損檢測，對于表面的穿透裂紋和表層下缺陷的檢出率高，且具有速度快，定位準確，對人體和環(huán)境無害的優(yōu)點[4-5]。

圖1　超聲波反射法檢測示意圖

3　紅外熱像無損檢測

紅外熱成像技術(shù)通過非接觸檢測被測物體的表面溫度場，并以溫度分布熱圖像的形式在顯示屏上直接顯示，進而推斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。它將人們的視覺范圍從可見光擴展到紅外波段，再現(xiàn)人眼在可見光范圍內(nèi)無法觀察到的物體外型輪廓或表面熱分布，為準確判斷設(shè)備運行狀態(tài)和查找故障點提供幫助。紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點是不受電磁干擾，所以廣泛應(yīng)用于檢測電力設(shè)備和電力傳輸線路[6]。

在電力系統(tǒng)中，電氣設(shè)備的運行異常大多伴有發(fā)熱現(xiàn)象，如冶金電纜因外在因素造成的機械損傷、絕緣老化、過流及過電壓造成的擊穿等；電機內(nèi)部鐵芯、繞組因絕緣層損壞而導致的短路、過載及散熱故障；電氣連接件接線端子的松動脫落、氧化腐蝕等引起溫度上升，造成局部過熱或整體溫度異常。一般情況下，溫度異常處較其他正常溫度高出10~15℃。因此，利用紅外熱成像儀對設(shè)備巡檢，以設(shè)備的熱狀態(tài)分布為依據(jù)對設(shè)備運行狀態(tài)良好與否進行診斷，隨時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)隱患或迅速診斷出事地點，減少經(jīng)濟損失。圖2所示為變電器電纜連接處局部接線端子出現(xiàn)過熱情況的紅外熱像圖。紅外熱成像儀檢測故障具有不停產(chǎn)、不接觸、遠距離、快速、直觀診斷電氣設(shè)備的特點[7]。

4　超聲紅外熱像檢測

超聲紅外熱像檢測方法是以超聲波作為激勵源，將該激勵注入到被檢測物體，以主動方式引起溫差的分布變化。因為超聲波在傳播路徑中遇到缺陷等不均勻結(jié)構(gòu)時會引起超聲波附加衰減，使局部溫度升高，利用紅外成像技術(shù)觀測物體表面的溫度場即可方便觀察和測量其結(jié)構(gòu)是否異常。超聲紅外熱像檢測能直觀反映物體的聲學及熱力學性質(zhì)，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

超聲紅外熱像檢測裝置包括超聲波發(fā)射器、紅外熱像儀、采集及完成數(shù)據(jù)處理的計算機等。檢測時首先根據(jù)需要設(shè)定超聲控制器所需參數(shù)，然后將被測裝置置于超聲發(fā)射裝置（超聲槍）的下方或側(cè)下方，并向試件發(fā)射聲能。當一定的超聲波聲能耦合進所測裝置后，即可通過紅外熱像儀連續(xù)觀測和記錄試件表面的溫場變化，計算機將采集到的紅外熱像進行數(shù)據(jù)處理和分析，最后對被內(nèi)部的缺陷進行定量診斷。該方法克服了傳統(tǒng)超聲檢測不直觀無記錄的缺點，降低了檢測中的人為干擾，是定量無損檢測的重要依據(jù)[8-9]。超聲紅外熱像顯示的裂紋見圖3。

圖2　變電器電纜連接處紅外熱像圖

圖3　超聲紅外熱像顯示的裂紋

超聲紅外熱像技術(shù)對裝備殘余應(yīng)力分布和不均勻結(jié)構(gòu)都非常敏感，因此在測量時不必考慮超聲波發(fā)射源和被檢測物體缺陷之間的相對位置和距離。實踐證明，將超聲紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于煤礦機械設(shè)備的疲勞裂紋和沖擊損傷的檢測十分有效。

5　激光全息檢測

激光全息無損檢測法是通過對被檢測物體施加外加熱載荷或機械載荷等，使物體產(chǎn)生微小的形變,由于缺陷部位的形變量與其他正常部位的形變不同，通過比對加載前后所形成的全息圖像來反映材料以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。基本的檢測原理可簡述如下：首先，由激光器發(fā)出的激光經(jīng)由分束鏡一分為二，一束直接投射到全息干版上,用另一束去照射被檢測物體并將其反射到干版上,使干版曝光得到一張原始全息圖。第二步，將被測物體實施熱加載后,重復上述過程在干版上，得到第二張全息圖。這樣在一塊干版上疊加的全息圖就記錄了被測物體在兩種不同狀態(tài)下的光波場，經(jīng)過比對和分析后就可對被檢物體的實時狀況得出結(jié)論。

激光檢測的另一種常用手段是利用全息干涉計量技術(shù)的激光散斑檢測法，它充分利用了激光相干性好的特點，將加載前后被檢測物體的激光散斑圖進行疊加,并利用缺陷形成的干涉條紋對缺陷定位。由于無需參考光路,因而具備受外界干擾小，便于在現(xiàn)場操作的優(yōu)點。目前，隨著視頻拷貝技術(shù)和計算機處理圖像技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外諸多研發(fā)機構(gòu)已經(jīng)將激光檢測技術(shù)與光纖、CCD攝像機和計算機圖像處理等新技術(shù)相結(jié)合，激光全息干涉條紋可以快速、準確地經(jīng)由計算機進行圖像自動處理達到直接顯示、實時觀察的目的?？梢灶A見得是，激光全息無損檢測與CCD攝像、計算機實時處理圖像等數(shù)字化技術(shù)的有機結(jié)合，將使這一先進技術(shù)向數(shù)字化、圖像化、智能化等多領(lǐng)域方向發(fā)展[10]。

6　結(jié)束語

我國無損檢測技術(shù)的研究是從20世紀50年代后期開始發(fā)展起來的，隨著科學技術(shù)的發(fā)展而不斷進步，已成為為金行業(yè)日常定期檢測的項目。將無損檢測技術(shù)應(yīng)用于冶金機械安檢中，能夠?qū)σ苯鹪O(shè)備重要承載部位進行安全性評估，有效地避免安全生產(chǎn)隱患，值得推廣。

[1]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[2]任杰.煤礦設(shè)備維修中無損檢測技術(shù)的應(yīng)用探究[J].科技資訊（信息技術(shù)版），2012（6）：66-70.

[3]楊富強.無損檢測技術(shù)在機械設(shè)備安全檢測中的應(yīng)用[J].礦山機械，2012（7）：22-25.

[4]郭美聲.無損檢測技術(shù)在煤礦機械設(shè)備維修中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2012（12）：36.

[5]郭軍.超聲波技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用[J].遼寧高職學報，2013（5）：45-46.

[6]王繼坤.數(shù)字激光全息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國品牌與防偽，2007（6）：55-56.

[7]沈健中.無損檢測幾個熱點問題和技術(shù)[J].無損檢測，2005（1）：36.

[8]趙明崗.紅外熱成像技術(shù)在煤礦設(shè)備故障判斷中的應(yīng)用[J]。煤礦機電，2013（8）：42-43.

[9]戴景民，汪子君.紅外熱成像無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007（1）：77-79.

[10]耿榮生，景鵬.蓬勃發(fā)展的我國無損檢測技術(shù)[J].機械工程學報，2013（9）：31-32.

App lication of the Nondestructive Inspection Technology to Safety Inspection of Metallurgy M achinery

DING Feng and JIANG Shu-jie
(Tianjin Metallurgical Vocation-technology Institute,Tianjin 300400,China)

The paper analyzes the app lication of several nondestructive inspection technologies such as ultrasonic inspection,infrared thermal image nondestructive inspection,ultrasonic infrared thermal image inspection and laser holography testing to the safety inspection ofmetallurgymachinery.Providing fast and accurate basis for the safety inspection operator tomake decision,nondestructive inspection technologies are important approaches of eliminating hidden failure in production and ensuring safe production.

ultrasonic inspection;infrared inspection;laser inspection;defect;detection

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.013

2015-10-17

2015-11-02

丁鋒（1977—），講師，主要從事控制理論、控制工程方面的教學及研究工作。