陳金忠 沈功田 鄭 陽 俞 躍 武新軍 陳振茂

（1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.華中科技大學(xué) 武漢 430074）

（3.西安交通大學(xué) 西安 710049）

為適應(yīng)國家現(xiàn)代化可持續(xù)經(jīng)濟(jì)型社會(huì)發(fā)展的需求，當(dāng)前的工業(yè)設(shè)備向著極端化、精密化、輕量化等方向不斷發(fā)展。與此同時(shí)，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和損傷模式也逐漸多樣化，給產(chǎn)品、設(shè)備的檢測(cè)評(píng)估提出了新的技術(shù)要求。目前數(shù)量眾多的在用工業(yè)設(shè)備服役期間安全評(píng)定中需要全面的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，提升材料損傷狀態(tài)的無損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)水平已成為保障工業(yè)設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。電磁無損檢測(cè)技術(shù)具有快速、非接觸等優(yōu)勢(shì)，不僅可以應(yīng)用于常規(guī)導(dǎo)電金屬材料的損傷檢測(cè)，對(duì)于特殊工業(yè)環(huán)境下的產(chǎn)品、裝備檢測(cè)也具有特殊的優(yōu)勢(shì)，例如帶有包覆層的非鐵磁性工業(yè)設(shè)備、雙金屬復(fù)合材料等。紅外和太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)同樣具有非接觸、直觀、安全等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于非金屬材料損傷檢測(cè)，成為現(xiàn)有電磁檢測(cè)技術(shù)的有效補(bǔ)充[1]。就電磁無損檢測(cè)技術(shù)以及紅外與太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)而言，針對(duì)技術(shù)發(fā)展及工程檢測(cè)中的需求，主要存在以下問題：

目前在脈沖渦流檢測(cè)理論和方法相對(duì)成熟，但基于該技術(shù)理論下的帶包覆層非鐵磁性工業(yè)設(shè)備的檢測(cè)技術(shù)研究有待開展。針對(duì)脈沖渦流頻帶寬、衰減快、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，高精度、高速度數(shù)據(jù)采集等難題仍需攻克。

微磁信號(hào)在非均勻磁導(dǎo)率和存在應(yīng)力集中材料中的特征識(shí)別和提取技術(shù)有待深入研究。基于微磁檢測(cè)技術(shù)的非鐵磁性材料腐蝕檢測(cè)、評(píng)價(jià)和分級(jí)方法理論也亟須補(bǔ)充。

隨著工業(yè)設(shè)備的復(fù)雜化、極端化，損傷形式同樣向著多樣化和不可預(yù)測(cè)化方向發(fā)展。因此，對(duì)于磁疇結(jié)構(gòu)在磁、熱、應(yīng)力、疲勞等多物理和材料變化下，鐵磁性材料應(yīng)力和疲勞狀態(tài)的評(píng)價(jià)技術(shù)以及對(duì)于磁疇動(dòng)態(tài)行為的影響規(guī)律仍有待研究。

單一檢測(cè)技術(shù)針對(duì)不同材料損傷各自具有一定的局限性，發(fā)展多種技術(shù)結(jié)合的損傷表征方法是無損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)于紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，仍存在大功率面激勵(lì)光源、大電流調(diào)制、激勵(lì)非均勻矯正等技術(shù)難點(diǎn)。在太赫茲?rùn)z測(cè)方面，存在高頻太赫茲波的大功率輸出不穩(wěn)定問題，檢測(cè)分辨率也需進(jìn)一步提高。

針對(duì)上述情況，在中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院牽頭下，20家產(chǎn)學(xué)研用單位共同申報(bào)了“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用（NQI）”專項(xiàng)項(xiàng)目“材料損傷電磁無損檢測(cè)與評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研制”，研究發(fā)展非鐵磁性材料脈沖渦流和微磁檢測(cè)技術(shù)、鐵磁性材料損傷多磁參數(shù)檢測(cè)技術(shù)、金屬材料電磁檢測(cè)技術(shù)、非金屬材料紅外與太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，適應(yīng)工程檢測(cè)的發(fā)展需求。

1 國內(nèi)外研究概況

非鐵磁性金屬材料檢測(cè)方面：美國GE、英國QinetiQ等的脈沖渦流檢測(cè)儀器主要用于核電和航空行業(yè)非鐵磁金屬材料檢測(cè)；荷蘭RTD和加拿大Eddyfi的脈沖渦流檢測(cè)儀主要用于帶包覆層鐵磁性工業(yè)設(shè)備檢測(cè)，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已研發(fā)脈沖渦流檢測(cè)儀，開展了工程應(yīng)用，主導(dǎo)編制了國際和國家標(biāo)準(zhǔn)。脈沖渦流在非鐵磁性與鐵磁性材料的傳播特性不同，檢測(cè)帶包覆層鐵磁性或小提離非鐵磁性設(shè)備的技術(shù)不能直接用于帶包覆層大提離非鐵磁性工業(yè)設(shè)備檢測(cè)[2]。

鐵磁性金屬材料檢測(cè)方面：材料磁特性參數(shù)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速。國外芬蘭Stresstech開發(fā)了用于齒輪、曲軸加工中殘余應(yīng)力檢測(cè)的磁巴克豪森檢測(cè)儀器，德國IZFP開發(fā)了用于汽車、核電設(shè)施等材料屈服點(diǎn)、硬度、滲碳層深度檢測(cè)的多磁參數(shù)檢測(cè)儀器。然而在應(yīng)力分布、疲勞狀態(tài)等復(fù)雜損傷檢測(cè)方面，現(xiàn)有技術(shù)尚需進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)在此方面研究較少，無成熟儀器，也缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

金屬材料電磁無損檢測(cè)數(shù)值模擬方面：電磁無損檢測(cè)已有法國CEA開發(fā)的CIVA無損檢測(cè)數(shù)值模擬軟件及一些專用數(shù)值模擬程序。但CIVA僅有二維渦流檢測(cè)數(shù)值模擬功能，現(xiàn)有專用數(shù)值模擬程序缺乏集成和前后處理功能；另外，基于高效正問題數(shù)值模擬、反問題缺陷定量反演的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、反映國際最新研究成果的正反問題一體化電磁無損檢測(cè)數(shù)值模擬軟件，對(duì)指導(dǎo)檢測(cè)探頭和儀器研制、檢測(cè)工藝開發(fā)及缺陷定量反演具有重要意義。

非金屬材料檢測(cè)方面：已有閃光燈、激光、振動(dòng)等激勵(lì)的紅外熱成像檢測(cè)儀器，尚未在工業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)大壁厚低導(dǎo)熱材料的反射式檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)，且在大功率非瞬態(tài)面加熱源的激勵(lì)均勻化、檢測(cè)結(jié)果歸一化和損傷評(píng)估方面仍面臨挑戰(zhàn)；同時(shí)缺乏紅外無損檢測(cè)的專用儀器標(biāo)準(zhǔn)。太赫茲成像檢測(cè)目前廣泛應(yīng)用于安檢、生物檢測(cè)等領(lǐng)域，但針對(duì)工業(yè)設(shè)備無損檢測(cè)缺少典型材料太赫茲波響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，德國SynView的檢測(cè)設(shè)備存在檢測(cè)速度慢、便攜化程度不高等問題，尚缺乏針對(duì)工業(yè)設(shè)備成熟的太赫茲無損檢測(cè)儀器。

2 項(xiàng)目目標(biāo)及總體研究方案

2.1 項(xiàng)目目標(biāo)

項(xiàng)目針對(duì)材料損傷電磁無損檢測(cè)中幾類迫切需要解決的問題，重點(diǎn)攻克非鐵磁性金屬材料損傷電磁檢測(cè)信號(hào)獲取技術(shù)、鐵磁性金屬材料應(yīng)力與疲勞評(píng)估多種磁信號(hào)特征參數(shù)融合分析技術(shù)、典型電磁無損檢測(cè)方法正反問題一體化數(shù)值模擬技術(shù)、非金屬材料損傷紅外大功率均勻激勵(lì)技術(shù)與太赫茲反演等關(guān)鍵技術(shù)，開展材料損傷電磁無損檢測(cè)與評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研制，實(shí)現(xiàn)材料宏微觀缺陷和服役狀態(tài)的快速檢測(cè)與評(píng)估，進(jìn)一步完善電磁無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)備的質(zhì)量控制要求。

2.2 總體研究方案

本項(xiàng)目根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)置四個(gè)課題：

課題一：針對(duì)非鐵磁性材料損傷，基于脈沖渦流與微磁檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，從檢測(cè)機(jī)理、檢測(cè)信號(hào)獲取、檢測(cè)工藝開發(fā)等方面開展深入研究。研制開發(fā)適應(yīng)不同信號(hào)特性的脈沖渦流檢測(cè)儀和微磁檢測(cè)儀。

課題二：針對(duì)鐵磁性材料損傷多磁參數(shù)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，從鐵磁性材料應(yīng)力和疲勞檢測(cè)機(jī)理以及檢測(cè)工藝方面開展研究，分別研制磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀、多磁參數(shù)檢測(cè)儀并進(jìn)行儀器性能測(cè)試與評(píng)價(jià)。

課題三：針對(duì)金屬材料電磁檢測(cè)及仿真關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)電磁無損檢測(cè)仿真軟件。針對(duì)金屬體積缺陷低頻電磁檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及儀器研制問題，研制高靈敏度低頻電磁陣列傳感器，開發(fā)低頻電磁陣列三維成像及缺陷重構(gòu)方法。針對(duì)金屬材料磨損電磁檢測(cè)方面，設(shè)計(jì)和制作電磁感應(yīng)型高可靠性油液磨屑在線監(jiān)測(cè)傳感檢測(cè)系統(tǒng)；搭建重大機(jī)械裝備電磁無損檢測(cè)評(píng)估技術(shù)平臺(tái)。

課題四：針對(duì)非金屬材料紅外與太赫茲?rùn)z測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，分別從非金屬材料粘接質(zhì)量紅外檢測(cè)定量評(píng)估方面、非金屬材料大功率長(zhǎng)時(shí)激勵(lì)的紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)研制方面、非金屬材料基于半導(dǎo)體激光器和光學(xué)混頻技術(shù)的便攜太赫茲成像檢測(cè)系統(tǒng)研制方面、非金屬材料無損檢測(cè)用紅外熱像儀設(shè)備和太赫茲?rùn)z測(cè)儀標(biāo)定方面進(jìn)行了研究。

通過以上四個(gè)課題的實(shí)施，最終為材料損傷檢測(cè)提供有效的電磁、紅外以及太赫茲?rùn)z測(cè)方法和儀器。

圖1 項(xiàng)目課題的設(shè)置及邏輯關(guān)系

圖1為項(xiàng)目總體研究及課題分解方案?？梢钥闯?，各課題之間既相互獨(dú)立，具有特定定位和功能，但又共同支撐材料損傷的檢測(cè)，形成一個(gè)完整的體系。

3 項(xiàng)目預(yù)期主要研究成果

項(xiàng)目預(yù)期成果包括設(shè)備類、平臺(tái)類、方法類、軟件類等多種形式如下：

1）設(shè)備類成果：通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試制樣機(jī)、開發(fā)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、完善系統(tǒng)等過程，完成脈沖渦流檢測(cè)儀、微磁檢測(cè)儀、磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀、多磁參數(shù)檢測(cè)儀、低頻電磁檢測(cè)儀、電磁感應(yīng)型高可靠性油液磨屑在線監(jiān)測(cè)傳感檢測(cè)系統(tǒng)、紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)、便攜太赫茲成像檢測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備的研發(fā)。

2）平臺(tái)類成果：通過搭建重大機(jī)械裝備電磁無損檢測(cè)評(píng)估技術(shù)平臺(tái)，開展裝備基于電磁磨損檢測(cè)的無損檢測(cè)與評(píng)估云服務(wù)技術(shù)平臺(tái)理論、技術(shù)和應(yīng)用研究。

3）方法類成果：在大提離下非鐵磁材料脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)增強(qiáng)方法、微弱信號(hào)識(shí)別方法、鐵磁性材料應(yīng)力與疲勞狀態(tài)檢測(cè)方法、低頻電磁陣列三維成像及缺陷重構(gòu)方法、金屬構(gòu)件缺陷形貌低頻電磁表征方法、粘接強(qiáng)度紅外熱成像檢測(cè)定量評(píng)估方法、基于半導(dǎo)體激光技術(shù)和光學(xué)混頻技術(shù)的便攜太赫茲成像檢測(cè)、太赫茲?rùn)z測(cè)儀關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)量等方面形成多種方法。

4）系統(tǒng)軟件類成果：為配合設(shè)備的研發(fā)及成果應(yīng)用，開發(fā)磁巴克豪森應(yīng)力測(cè)量軟件、多磁參數(shù)疲勞檢測(cè)儀軟件、典型電磁無損檢測(cè)方法數(shù)值模擬軟件、油液金屬磨屑在線監(jiān)測(cè)及集成數(shù)據(jù)管理分析軟件，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊環(huán)境檢測(cè)、監(jiān)測(cè)工藝的快速制定。

4 項(xiàng)目預(yù)期的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

4.1 本項(xiàng)目科學(xué)預(yù)期指標(biāo)及科學(xué)價(jià)值

通過總結(jié)研發(fā)過程中的數(shù)據(jù)、成果，揭示非鐵磁性材料損傷脈沖渦流與微磁檢測(cè)機(jī)理，明確鐵磁性材料應(yīng)力與疲勞損傷磁參數(shù)表征方法，探明金屬材料電磁無損檢測(cè)漏磁與渦流相互作用機(jī)理和非金屬材料損傷紅外與太赫茲?rùn)z測(cè)機(jī)理，建立電磁無損檢測(cè)正反問題一體化數(shù)值模擬方法，對(duì)發(fā)展電磁無損檢測(cè)理論，推進(jìn)我國電磁無損檢測(cè)儀器水平具有重要科學(xué)價(jià)值。

1）直接科學(xué)價(jià)值：解決非鐵磁性材料損傷電磁檢測(cè)信號(hào)獲取，鐵磁性材料應(yīng)力與疲勞多參數(shù)評(píng)估，金屬材料體積缺陷與磨損檢測(cè)及非金屬材料損傷紅外的大功率均勻激勵(lì)與太赫茲反演等關(guān)鍵技術(shù)。提高材料損傷檢測(cè)領(lǐng)域的認(rèn)知水平，擴(kuò)展及補(bǔ)全其研究范疇，推動(dòng)該領(lǐng)域科學(xué)進(jìn)步具有巨大價(jià)值。

2）間接科學(xué)價(jià)值：提出理論研究及新的檢測(cè)方法，其方法不僅可以應(yīng)用于材料損傷檢測(cè)，也能夠?yàn)槠渌I(lǐng)域?qū)W科的相關(guān)研究提供借鑒。

4.2 本項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)預(yù)期指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

在非鐵磁性材料脈沖渦流與微磁檢測(cè)、鐵磁性材料損傷多參數(shù)檢測(cè)、金屬體缺陷低頻電磁檢測(cè)和非金屬材料紅外與太赫茲?rùn)z測(cè)等方面，預(yù)期提交檢測(cè)儀器樣機(jī)8臺(tái)套。

電磁檢測(cè)仿真軟件具備仿真渦流、脈沖渦流、漏磁和低頻電磁檢測(cè)功能，能求解線性和非線性電磁問題。

研制帶包覆層非鐵磁金屬構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)儀和奧氏體不銹鋼材質(zhì)劣化的微磁檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)高低溫工業(yè)設(shè)備（如低溫LNG設(shè)備）不拆包覆層在線檢測(cè)，及時(shí)消除安全隱患，減少高低溫設(shè)備事故發(fā)生及降低維護(hù)成本。

研制鐵磁性材料疲勞狀態(tài)多磁參數(shù)和磁巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)鐵磁性材料早期損傷檢測(cè)與評(píng)估，提高鐵磁性工業(yè)設(shè)備構(gòu)建的完整性、延長(zhǎng)其使用壽命，減少突發(fā)性疲勞或應(yīng)力失效事故的發(fā)生。

開發(fā)典型電磁無損檢測(cè)信號(hào)集成數(shù)值模擬和缺陷定量評(píng)估軟件，集成國際電磁無損檢測(cè)理論和技術(shù)最新研究成果的電磁無損檢測(cè)軟件，用于指導(dǎo)電磁無損檢測(cè)探頭和儀器開發(fā)以及缺陷反演定量，支撐我國電磁無損檢測(cè)整體研究與技術(shù)實(shí)力的提升。

研制低導(dǎo)熱率大壁厚材料的主動(dòng)式紅外熱成像和便攜太赫茲?rùn)z測(cè)儀，提出太赫茲?rùn)z測(cè)儀關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)量方法，搭建無損檢測(cè)用紅外熱像儀設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)研究及關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試平臺(tái)，推動(dòng)非金屬材料紅外熱成像和太赫茲?rùn)z測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展，制定無損檢測(cè)紅外熱成像設(shè)備性能測(cè)試ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，奠定我國在該領(lǐng)域的國際主導(dǎo)地位與影響力，促進(jìn)我國電磁無損檢測(cè)儀器走向國際市場(chǎng)。

綜上所述，通過本項(xiàng)目研究，為我國檢測(cè)服務(wù)行業(yè)提供先進(jìn)儀器與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高我國檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的核心競(jìng)爭(zhēng)力；開發(fā)的檢測(cè)儀器既打破國外壟斷又具有國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，提高我國電磁無損檢測(cè)儀器開發(fā)水平；為我國石油、化工、電力等領(lǐng)域工業(yè)設(shè)備的安全運(yùn)行、降低運(yùn)營與維護(hù)成本，提高設(shè)備效益和安全性，減少泄漏或爆炸事故發(fā)生提供保障，促進(jìn)安全檢測(cè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步具有重要價(jià)值，相關(guān)研究成果還可應(yīng)用于國防裝備、大型橋梁和鋼結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)檢測(cè)，預(yù)期社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益巨大。

5 展望

該項(xiàng)目是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用”（NQI）重點(diǎn)專項(xiàng)的重要組成部分，旨在適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)設(shè)備向極端化、輕量化、復(fù)雜化方向發(fā)展的趨勢(shì)，突破極端條件下檢測(cè)技術(shù)的瓶頸。項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化后將極大推動(dòng)電磁檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展，部分技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。該項(xiàng)目致力于解決金屬材料、非金屬材料檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)難題，但鑒于經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本、人力成本的限制，無法攻克所有材料檢測(cè)的技術(shù)難題，僅針對(duì)幾種典型材料進(jìn)行研究。同時(shí)，隨著工作化進(jìn)程的不斷發(fā)展，設(shè)備多樣化、智能化趨勢(shì)明顯，新問題也會(huì)隨之出現(xiàn)。因此，望日后在本課題研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)的相關(guān)機(jī)構(gòu)和專業(yè)人員繼續(xù)深入開展該領(lǐng)域科學(xué)研究，同時(shí)希望國家持之以恒的資助材料損傷電磁無損檢測(cè)方面的技術(shù)研究。

[1] 沈功田，胡斌.大型承壓設(shè)備不停機(jī)電磁無損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].中國特種設(shè)備安全，2016，32(01)：6-12.

[2] 武新軍，張卿，沈功田.脈沖渦流無損檢測(cè)技術(shù)綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2016，37(08)：1698-1712.

[3] 沈功田，鄭陽，蔣政培，等.磁巴克豪森噪聲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].無損檢測(cè)，2016，38(07)：66-74.