鄭 陽 林樹青 鄭 暉 李素軍

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

金屬材料超聲無損檢測與微損測試新技術(shù)研究

鄭 陽 林樹青 鄭 暉 李素軍

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

隨著技術(shù)的進步和社會的發(fā)展，無損檢測和材料性能測試技術(shù)作為質(zhì)量控制中的主要手段不斷進步，然而目前的技術(shù)手段仍無法滿足金屬材料的檢測需求。在中國特種設備檢測研究院牽頭下，20家產(chǎn)學研用單位共同申報了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎的共性技術(shù)研究與應用（NQI）”專項項目“金屬材料超聲無損檢測及微損測試關(guān)鍵技術(shù)研究與儀器研制”并獲得立項。本文主要介紹該項目的背景、目標及總體研究方案、預期主要研究成果等相關(guān)內(nèi)容。

無損檢測 超聲檢測 電磁超聲 磁聲發(fā)射 微損測試

1 引言

金屬材料是工業(yè)裝備的主要用材，其質(zhì)量控制水平直接決定了裝備產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平。無損檢測和材料性能測試是質(zhì)量控制的主要技術(shù)手段，在裝備制造和檢維修階段用于檢測母材和結(jié)構(gòu)中的缺陷及測定材料性能，在裝備服役階段用于檢測腐蝕、裂紋、疲勞等損傷及測定材料性能劣化程度，近年來進步迅速，應用領域越來越廣泛，對質(zhì)量控制的作用越來越大，已廣泛應用于航空航天、石油化工、電力、交通、軍工等領域，貫穿產(chǎn)品生產(chǎn)、制造、使用、檢修和維護全過程。

隨著工業(yè)裝備水平的發(fā)展，無損檢測和材料性能測試技術(shù)也不斷進步，技術(shù)發(fā)展趨勢及需求主要表現(xiàn)為：由發(fā)現(xiàn)缺陷向精確定量、準確定性缺陷發(fā)展；由定期檢測擴大到損傷在線監(jiān)測；由常溫環(huán)境檢測擴大到高溫等極端環(huán)境下檢測；由缺陷形成后檢測擴大到早期損傷檢測；由材料性能常規(guī)大試樣測試發(fā)展至微損取樣測試。超聲檢測是無損檢測的主要方法之一，涵蓋了近50%的無損檢測應用，主要用于發(fā)現(xiàn)材料缺陷。微損測試是基于小試樣獲得材料力學性能的方法，對在役設備材料性能測試，具有獨特的優(yōu)勢。就超聲與微損檢測技術(shù)而言，針對技術(shù)發(fā)展趨勢及工程應用中的迫切需求，目前還存在以下主要問題：

其一，在缺陷精確定量、準確定性方面，現(xiàn)有超聲檢測技術(shù)如A型脈沖可以發(fā)現(xiàn)缺陷，但對缺陷的定量和定性能力較差，TOFD檢測技術(shù)在內(nèi)部缺陷高度測量上有較好的精度，相控陣超聲一般可以獲得缺陷多個視角的二維圖像，但它們在缺陷三維形狀測量上，還有很大不足。

其二，針對在役設備易接觸部位腐蝕、開裂的定時檢測目前有眾多技術(shù)可以實現(xiàn)，但對于高空、埋地等難接觸部位檢測缺乏有效技術(shù)手段，同時腐蝕、開裂是一個逐漸發(fā)生的過程，需要長期在線定量監(jiān)測的技術(shù)手段。

其三，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，眾多裝備向著高參數(shù)運行發(fā)展，如電力中正在努力發(fā)展的700℃超超臨界鍋爐技術(shù)，使得適用于高溫等極端環(huán)境下的檢測技術(shù)成為迫切需求，超聲檢測技術(shù)中，現(xiàn)有高溫壓電傳感器一般工作于450℃以下，激光超聲等技術(shù)因為不便現(xiàn)場使用，主要在實驗室使用。

其四，在役設備疲勞損傷破壞主要表現(xiàn)為突然性失效，需要及早判定材料疲勞程度，若等到宏觀缺陷出現(xiàn)后才能探測出，往往無法避免結(jié)構(gòu)破壞。目前疲勞損傷的檢測技術(shù)如非線性超聲、渦流、磁參數(shù)等，主要停留在實驗室研究階段，尚未獲得成熟的工業(yè)應用，因此需要持續(xù)發(fā)展疲勞早期損傷檢測技術(shù)。

其五，材質(zhì)劣化的評定需要對材料性能進行實驗測量，實驗室中可以采用常規(guī)拉伸、金相等實現(xiàn)，但這些手段對在役設備上的材料性能測試不適用。

針對上述情況，在中國特種設備檢測研究院牽頭下，20家產(chǎn)學研用單位共同申報了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎的共性技術(shù)研究與應用（NQI）”專項項目“金屬材料超聲無損檢測及微損測試關(guān)鍵技術(shù)研究與儀器研制”，研究發(fā)展陣列超聲三維透視成像、超聲導波多模態(tài)成像、電磁超聲高溫檢測、磁聲發(fā)射早期損傷檢測、材料性能微損檢測等技術(shù)，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，適應工程檢測的發(fā)展需求。

2 國內(nèi)外研究概況

在陣列超聲三維透視成像檢測研究方面，該技術(shù)是工業(yè)超聲檢測領域極具應用前景的前沿技術(shù)，通過對相位、頻率、波形多參數(shù)調(diào)控精確產(chǎn)生預定聲場，綜合應用多種聲場解析方法，實現(xiàn)缺陷的三維透視成像。國外研究主要集中在儀器系統(tǒng)、成像方法和仿真軟件開發(fā)。醫(yī)學領域進展較快，GE公司和西門子公司已推出了基于聲場調(diào)控的高檔醫(yī)學超聲成像儀器系統(tǒng)，工業(yè)領域由于檢測的復雜性進展緩慢，且現(xiàn)有三維成像方法大多基于射線聲學理論，對于人體組織成像效果好，而對工業(yè)復雜結(jié)構(gòu)成像精度低。在超聲陣列儀器開發(fā)方面國內(nèi)已有一定基礎，但距離國際先進水平，還有很大差距。超聲檢測仿真軟件國外主要有CIVA軟件，國內(nèi)尚無成熟商用軟件。

在陣列式超聲導波多模態(tài)成像檢測研究方面，超聲導波作為長距大面積快速檢測技術(shù)在工業(yè)管道檢測方面已獲得了成功的工業(yè)應用，英國和中國分別制定了相關(guān)檢測標準。目前應用中主要的問題是對缺陷的準確識別及定量評價能力差。為解決此問題，國內(nèi)外學者在相關(guān)基礎研究如導波模態(tài)控制、檢測信號處理及成像方法方面開展了大量工作，并將這些技術(shù)用于陣列超聲導波成像檢測中，開發(fā)了缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)，但還需進一步深入研究，開發(fā)高分辨率的缺陷成像檢測技術(shù)。

在電磁超聲在線檢測研究方面，國外電磁超聲技術(shù)研究始于上世紀70年代初，目前已研制了電磁超聲鋼板、鋼管、鐵軌等自動檢測裝備，相關(guān)專利已達千余項，ASTM也已頒布了三項標準。國內(nèi)研究水平總體處于“跟跑”階段，相關(guān)專利200余項。在高溫檢測方面，國外對于該技術(shù)的研究主要集中在高溫檢測方法、高溫傳感器及設備研制方面，最高適用溫度已達720℃，國內(nèi)目前電磁超聲檢測儀器設備發(fā)展緩慢，已開發(fā)出的電磁超聲測厚儀適用溫度也只到600℃，相關(guān)技術(shù)亟待突破。

在鐵磁性金屬材料早期損傷磁聲發(fā)射檢測研究方面，自19世紀70年代首次發(fā)現(xiàn)磁聲發(fā)射現(xiàn)象，磁聲發(fā)射檢測技術(shù)已形成比較完善的理論體系，國外用于炮筒、槍筒、飛行器承力主梁等構(gòu)件的殘余應力檢測及渦輪機葉片的回火脆性評估。國內(nèi)在聲發(fā)射檢測研究方面，進展較快，已成功開發(fā)了多種檢測儀器，并在工程中獲得了廣泛應用，但在磁聲發(fā)射檢測研究方面，僅開展了用于鐵磁性金屬構(gòu)件疲勞和蠕變損傷檢測的初步研究，沒有形成技術(shù)能力，暫無工程化應用。在儀器設備方面，國內(nèi)外目前均未有成熟的磁聲發(fā)射檢測儀。

在材料性能微損測試研究方面，材料性能的微損測試技術(shù)是在工業(yè)裝備正常服役情況下獲取材料參數(shù)的重要技術(shù)。主要應用于核電、化工、能源等重要設備安全評估。微損測試分取樣后測試與非取樣測試兩類。取樣測試技術(shù)中，日本采用電火花取樣，歐美采用機械式取樣，國內(nèi)暫未掌握機械式取樣技術(shù)。取樣后材料性能測試主要有小沖桿法，國內(nèi)外已頒布相關(guān)測試標準，但小沖桿測試影響因素多，為解決此問題中國特檢院提出材料性能微試樣液壓鼓脹測試方法。非取樣測試中，國際已有商業(yè)壓痕法測試裝備，但材料性能解算是基于國外材料數(shù)據(jù)庫，對國內(nèi)材料測量適應性差，有待國產(chǎn)化開發(fā)。

3 項目目標及總體研究方案

3.1 項目目標

項目針對金屬材料損傷檢測及性能測試中幾類迫切解決的問題，重點攻克超聲三維透視成像的陣列柔性激勵及缺陷三維重構(gòu)技術(shù)、陣列式超聲導波多模態(tài)融合成像檢測技術(shù)、電磁超聲高溫傳感及在線非接觸快速檢測技術(shù)、金屬材料早期損傷的磁聲發(fā)射檢測及評價方法、超聲檢測儀器和試塊性能測試評價的多指標綜合測評方法、材料微損快速取樣技術(shù)及力學性能的微試樣測試方法等關(guān)鍵技術(shù)，為金屬材料工業(yè)設備在制和在役過程的無損檢測與材料性能評估提供新型超聲檢測及微損測試技術(shù)手段。

3.2 總體研究方案

本項目根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)，設置五個課題，其中：

課題一針對結(jié)構(gòu)中宏觀缺陷的準確定性、精確定量檢測，研究陣列傳感器柔性激勵的超聲三維透視成像檢測技術(shù)并研制儀器。開發(fā)超聲檢測儀器、試塊性能測試評價平臺及檢測工藝驗證平臺，實現(xiàn)對檢測裝備及工藝的評價；

課題二針對材料開裂、腐蝕減薄等損傷的在線監(jiān)測，研究壓電陣列式超聲導波多模態(tài)成像技術(shù)并研制監(jiān)測儀器；

課題三針對高溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)宏觀缺陷的在線檢測，研究電磁超聲高溫在線無損檢測技術(shù)并研制儀器；

課題四針對鐵磁性材料構(gòu)件疲勞早期損傷檢測，研究磁聲發(fā)射檢測技術(shù)并研制儀器；

課題五針對材料性能的微損傷測試與評價，研究液壓鼓脹和在線壓痕的微損材料性能檢測及試驗制備技術(shù)并研制儀器。

通過以上五個課題的實施，最終為金屬材料設備在制和在役過程中的質(zhì)量控制，提供有效的超聲檢測及微損測試方法和儀器。

圖1為項目總體研究及課題分解方案。可以看出，各課題之間既相互獨立，具有特定定位和功能，但又共同支撐金屬材料的檢測，形成一個完整檢測體系。課題1主要解決宏觀缺陷的準確定性與精確定量檢測的問題；課題2主要解決材料開裂與腐蝕減薄等損傷的在線監(jiān)測的問題；課題3主要解決高溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)宏觀缺陷的在線檢測的問題；課題4主要解決構(gòu)件疲勞早期損傷檢測的問題；課題5主要解決材料性能檢測微損測試問題。

圖1 總體研究及課題分解方案

4 項目預期主要研究成果

項目預期成果包括設備類、平臺類、方法類、軟件類等多種形式，具體成果如下：

1）設備類成果：通過系統(tǒng)設計、試制樣機、開發(fā)系統(tǒng)、現(xiàn)場試驗、完善系統(tǒng)等過程，完成陣列柔性激勵儀、電磁超聲檢測儀、機械式取樣機、液壓鼓脹檢測儀、磁聲發(fā)射檢測儀、在線壓痕試驗機、聲場觀測儀、壓電陣列導波監(jiān)測儀等設備的研發(fā)。

2）平臺類成果：通過搭建超聲檢測儀器和試塊性能測試評價平臺、檢測工藝驗證平臺，實現(xiàn)對超聲檢測全鏈條的支持，保證檢測設備、試塊、工藝的可靠性和正確性。

3）方法類成果：在超聲檢測系統(tǒng)性能測試評價的多指標綜合測評、陣列超聲檢測工藝設計及驗證、面向?qū)ο蟮年嚵谐暀z測、壓電陣列多模態(tài)導波缺陷定量識別、電磁超聲檢測、磁聲發(fā)射檢測、基于微損試樣的材料評價等方面形成多種方法。上述新方法主要轉(zhuǎn)化為國家特種設備安全技術(shù)規(guī)范、國家/行業(yè)/企業(yè)標準若干項。

4）系統(tǒng)軟件類成果：配和設備的研發(fā)及成果應用，開發(fā)三維工件超聲聲場和回波預測仿真軟件，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場特殊構(gòu)件檢測工藝的快速制定。

5 項目預期的經(jīng)濟社會效益

5.1 本項目科學預期指標及科學價值

通過總結(jié)研發(fā)過程中的數(shù)據(jù)、成果，揭示“多頻段多模式超聲波與金屬材料典型損傷的交互作用規(guī)律”，提高相關(guān)領域科研工作者對檢測聲學的認知水平，推動檢測聲學理論、實踐的進步；攻克的關(guān)鍵部件和核心技術(shù)，將為科學儀器開發(fā)、科學研究提供支持。

1）直接科學價值：揭示“多頻段多模式超聲波與金屬材料典型損傷的交互作用規(guī)律”，提高檢測聲學領域的認知水平，擴展及補全其研究范疇，對于推動領域科學進步具有巨大價值。

2）間接科學價值：提出了新的材料性能檢測方法，提高了不同條件下的材料測試能力，以上技術(shù)方法不僅能應用于工業(yè)檢測領域，而且能夠為其他科學研究提供更為準確有效的檢測監(jiān)測手段，提高科學實驗的準確性。開發(fā)的高溫檢測手段，可以突破現(xiàn)有測試能力的限制，使一些設想中的科學實驗得以實現(xiàn)，通過實驗技術(shù)的進步推動相關(guān)科學領域的進步。

3）研發(fā)過程中產(chǎn)生的科學價值：項目研究涉及聲學領域、電磁學領域、材料學領域、普通力學領域，研究過程是多領域交叉碰撞、融合的過程，對于新科學思想的產(chǎn)生、新的領域交叉熱點的形成、解決問題的新視角等均有極大的促成作用。

5.2 本項目產(chǎn)業(yè)預期指標及經(jīng)濟與社會效益

研制的陣列柔性激勵儀器可替代相關(guān)領域60%左右的原有檢測手段，降低30%以上的檢測成本；提高檢測可靠性，保證設備安全更為有效，社會、經(jīng)濟效益不可估量。

研制的陣列式超聲導波多模態(tài)成像檢測設備可應用于大型裝備的在線實時監(jiān)測，監(jiān)控設備的安全狀況，降低企業(yè)運維成本，避免財產(chǎn)損失和安全事故。

研制的高溫電磁超聲檢測系統(tǒng)及檢測方法，可實現(xiàn)高溫設備在線不停機超聲波檢測，焊接生產(chǎn)線超聲在線檢測，填補超高溫檢測方面的工程技術(shù)空白。

研發(fā)的磁聲發(fā)射檢測技術(shù)將補充和完善磁聲發(fā)射產(chǎn)生機制和檢測機制；提高磁聲發(fā)射技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性，促進磁聲發(fā)射技術(shù)在早期損傷評估方面的發(fā)展；推進磁聲發(fā)射技術(shù)的工程化應用，填補國內(nèi)外對鐵磁構(gòu)件磁聲發(fā)射技術(shù)檢測早期損傷應用方面的空白。

實現(xiàn)的材料微損測試技術(shù)，對于承壓設備和鎳基合金結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性評定以及風險分析等都將起著基礎性的重要作用。相關(guān)儀器的研發(fā)和應用可以大大提高承壓設備和鎳基合金結(jié)構(gòu)完整性評定和風險評估的可靠性，對提升承壓設備安全、促進安全生產(chǎn)具有重要意義。

綜上，通過本項目的實施將進一步夯實質(zhì)量技術(shù)基礎，有效地提升我國無損檢測行業(yè)在超聲和材料微損傷方面的技術(shù)能力，推動行業(yè)整體技術(shù)進步；研制的儀器設備將打破國外儀器和技術(shù)壟斷，實現(xiàn)高新技術(shù)轉(zhuǎn)化，核心部件具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，帶動我國高端設備的研發(fā)能力；新技術(shù)、新方法、新標準的推出將填補國內(nèi)檢測領域多項技術(shù)空白，有效提升我國在產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)方面的水平。

6 展望

該項目是國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎的共性技術(shù)研究與應用”（NQI）重點專項的重要組成部分，旨在突破復雜對象和極端條件等檢測技術(shù)瓶頸，滿足要求多樣化、早期化的檢測監(jiān)測技術(shù)瓶頸，項目預期成果將填補國內(nèi)檢測領域多項技術(shù)空白，部分達到國際先進水平。

該項目致力于解決金屬材料檢測急需的共性關(guān)鍵技術(shù)難題，但鑒于經(jīng)費、時間和人力物力的限制，研究內(nèi)容并不能完全覆蓋金屬材料檢測的所有技術(shù)難題。同時，隨著金屬制設備向大型化、復雜化、高參數(shù)等方向發(fā)展，也會不斷涌現(xiàn)出新的問題。因此，今后在本項目研究內(nèi)容的基礎上，還希望國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)和專業(yè)技術(shù)人員開展相應項目的深入研究，也希望國家持續(xù)不斷的支持金屬制設備質(zhì)量檢測與控制方面的技術(shù)研究。

[基金支持：本項目由國家重點研發(fā)計劃

“國家質(zhì)量基礎的共性技術(shù)研究與應用（NQI）

（2016YFF0203000）”項目資助]

Research on the New Technologies of Ultrasonic Non-destructive Testing and Micro-destructive Testing for Metal Materials

Zheng Yang Lin Shuqing Zheng Hui Li Sujun
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the main ways of product quality control, non-destructive testing and material performance testing technologies have continuous improved with the development of technology and society. However, current technologies are still unable to meet the practice needs. Therefore China Special Equipment Inspection and Research Institute and other twenty agencies proposed the project “Key Technologies Research and Instrument Development of Ultrasonic Non-destructive Testing and Micro-destructive Testing for Metal Materials”. It was sponsored by National Key R & D Programs "Common Technology research and application of National Quality Infrastructure”. This paper mainly introduces the background, the research goal and summarize, expected results and so on.

Non-destructive testing Ultrasonic testing Electromagnetic acoustic transducer Magnetoacoustic emission Micro-destructive testing

X924

A

1673-257X(2016)11-0001-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.001

鄭陽(1984～)，男，博士，高級工程師，從事無損檢測與評價技術(shù)研究工作。

簡介：林樹青（1958～），男，院長，從事特種設備安全技術(shù)研究及成果應用工作。

2016-11-14）