王 平，盛宏威，冀凱倫，楊 元，李開宇，姚恩濤，賈銀亮，石 玉

（1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京，211106；2.工業(yè)和信息化部“高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，211106）

引 言

高速載運(yùn)設(shè)施指空天飛行器、高速列車等高速載運(yùn)工具及其相關(guān)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。高速載運(yùn)設(shè)施是實(shí)現(xiàn)高速交通的關(guān)鍵性設(shè)施，影響著國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)，也是國家安全的重大戰(zhàn)略點(diǎn)，對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用[1]。在高速載運(yùn)設(shè)施的生產(chǎn)、布設(shè)、使用和維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，都離不開無損檢測技術(shù)的保駕護(hù)航。

無損檢測技術(shù)是在不損傷被檢測對象的條件下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化或缺陷所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部狀態(tài)和缺陷，并對狀態(tài)和缺陷類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化作出在線判斷和評(píng)價(jià)，最終對被測對象的設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量控制、故障預(yù)防和診斷維護(hù)起指導(dǎo)性作用[2]。無損檢測及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用對象包括大型飛機(jī)和新型飛機(jī)重點(diǎn)產(chǎn)品或部件的材料結(jié)構(gòu)、先進(jìn)制造的加工質(zhì)量控制和產(chǎn)品壽命評(píng)估、大型基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)、高速鐵路線路和車輛結(jié)構(gòu)的生命周期維護(hù)等，是國家重點(diǎn)發(fā)展的剛性需求。

由于高速載運(yùn)設(shè)施往往具有工作環(huán)境惡劣、對安全性要求高、自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，距離長、人工檢測難度大、探傷時(shí)間受限制等特點(diǎn)，需要使用智能化、高效率、高精度的無損檢測技術(shù)[3]。到2025年，我國將基本建立交通運(yùn)輸及智能制造的支撐體系，重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)將初步實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型[4]，目前急需突破先進(jìn)感知與測量等瓶頸問題[5]。與制造質(zhì)量控制、產(chǎn)品狀態(tài)壽命和故障相關(guān)的無損檢測技術(shù)顯得尤為重要。

本文就高速載運(yùn)設(shè)施無損檢測的必要性、檢測現(xiàn)狀、檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢等進(jìn)行綜述。

1 高速載運(yùn)設(shè)施無損檢測的必要性

1.1 全生命周期的檢測需求

無損檢測技術(shù)的應(yīng)用普及率是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志之一。特別在制造領(lǐng)域，無損檢測技術(shù)的應(yīng)用使得制造業(yè)的產(chǎn)品檢測由隨機(jī)抽樣產(chǎn)品的離線檢測升級(jí)為遍歷所有產(chǎn)品的在線檢測，是質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)，也是高端裝備、智能制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵支撐技術(shù)以及構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵核心技術(shù)[6]。對于裝備制造業(yè)，無損檢測技術(shù)的應(yīng)用普及將為整個(gè)產(chǎn)業(yè)帶來10%～20%的附加值提升（《中國無損檢測技術(shù)發(fā)展路線圖（2016—2025）》）。其技術(shù)應(yīng)用的時(shí)機(jī)涵蓋材料或設(shè)施的全生命周期，比如高速鐵路及航空航天設(shè)施的原材料、部件和設(shè)施在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的質(zhì)檢考慮、生產(chǎn)時(shí)的無損檢測、制造過程中的無損檢測、使用過程（在役）中的無損檢測，如圖1所示。例如：

（1）各種材料（金屬、非金屬、復(fù)合材料等）的無損檢測，如特種鋼材、航空材料的設(shè)計(jì)、制造工藝檢測，應(yīng)用于各類材料生產(chǎn)廠家，提供設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和工藝在線反饋。

（2）各種結(jié)構(gòu)或工件（激光增材制造部件，焊接件、鍛件、鑄件、管道、齒輪、列車及汽車車體及部件等）的無損檢測，應(yīng)用于各類機(jī)械加工生產(chǎn)制造廠家的設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量控制、工藝在線反饋和故障預(yù)防、在役維護(hù)指導(dǎo)[7]。

（3）各類設(shè)施（飛機(jī)等航空航天裝備、軌道等鋼結(jié)構(gòu)工程、道路建設(shè)等）的無損檢測，應(yīng)用于各類設(shè)施承建、使用和檢驗(yàn)單位的設(shè)計(jì)、質(zhì)量在線控制和在役的故障預(yù)防、維護(hù)指導(dǎo)。

圖1 無損檢測技術(shù)在材料制造行業(yè)的應(yīng)用Fig.1 Application of non-destructive testing technology in material manufacturing industry

1.2 典型的行業(yè)應(yīng)用

在高速運(yùn)載設(shè)施領(lǐng)域，無損檢測及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)典型的行業(yè)應(yīng)用包括：

（1）材料、機(jī)械加工、增材制造行業(yè)。在鐵路、航空航天等制造行業(yè)中，在傳統(tǒng)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)升級(jí)，以及激光增材制造、激光強(qiáng)化等新型加工手段中，對加工對象的控形控性非常重要。除了尺寸精度達(dá)到要求之外，加工對象（如高速齒輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)）的機(jī)械性能，包括屈服強(qiáng)度、疲勞性能的要求非常關(guān)鍵，必須采取先進(jìn)的無損檢測技術(shù)手段加以在線測量。

（2）關(guān)鍵設(shè)備的制造、維護(hù)使用。動(dòng)車組車輛輪對、軸承等走行部、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的事故可能造成難以估量的災(zāi)難性損失。對于關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求、生產(chǎn)質(zhì)量控制、使用損傷及狀態(tài)的檢驗(yàn)是國家強(qiáng)制性要求。全國相關(guān)檢測儀器、耗材及服務(wù)市場整體容量很大。

（3）軌道等基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)品制造、使用維護(hù)。對鋼軌的生產(chǎn)質(zhì)量控制和使用安全保障是目前鐵路設(shè)施的普遍重大需求[8]。我國鋼軌延展里程超過24萬千米；2015年發(fā)現(xiàn)重傷4.6萬處，斷軌110處；這些工作目前主要靠人工檢測完成。非常需要能夠解決高鐵鋼軌檢測的核心技術(shù)，包括：頂面、內(nèi)部多缺陷、薄弱部位（道岔/焊接位置）的檢測；傷損的定量、自動(dòng)識(shí)別；缺陷的生成和擴(kuò)展全過程監(jiān)控，聯(lián)合分析和預(yù)警預(yù)報(bào)；能夠滿足巡檢時(shí)間窗口小，快速巡檢的技術(shù)[9]。

2 我國高速載運(yùn)等重大設(shè)施領(lǐng)域無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國是全球高速載運(yùn)設(shè)施領(lǐng)域工業(yè)無損檢測技術(shù)需求增長最快的市場，但許多核心技術(shù)被國外大公司壟斷。我國航空航天、高速鐵路等高速載運(yùn)設(shè)施領(lǐng)域無損檢測監(jiān)控技術(shù)正從傳統(tǒng)的無損探傷，過渡到無損評(píng)估以及損傷全過程的狀態(tài)檢測，并與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)融合?！笆濉薄笆濉逼陂g，我國啟動(dòng)了高速載運(yùn)設(shè)施無損檢測新技術(shù)、材料及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控的部分部件關(guān)鍵技術(shù)的研究，取得了一定的研究成果，但在研究的廣度和深度上，以及研究機(jī)構(gòu)的能力方面同國外先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)機(jī)構(gòu)相比尚有很大差距，具體表現(xiàn)如表1所示。

表1 我國無損檢測技術(shù)與先進(jìn)國家對比情況Table 1 Comparison of nondestructive testing technology between China and developed countries

續(xù)表

國內(nèi)無損檢測單位機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)如表2所示。我國目前雖有多家研發(fā)生產(chǎn)單位企業(yè)開展高速運(yùn)載設(shè)施領(lǐng)域無損檢測監(jiān)控技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)工作，但存在技術(shù)儲(chǔ)備不足、工程實(shí)踐積累較少的問題，基本上是跟蹤國際廠商的現(xiàn)有技術(shù)，很難保證技術(shù)系統(tǒng)整體先進(jìn)性，同時(shí)也嚴(yán)重影響了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開發(fā)。目前主要技術(shù)還無法打破依賴進(jìn)口的局面[10]。

對于無損檢測及狀態(tài)監(jiān)控，國際上先進(jìn)國家發(fā)展迅猛，技術(shù)已在包括大型飛機(jī)和新型飛機(jī)重點(diǎn)產(chǎn)品或部件的材料結(jié)構(gòu)、先進(jìn)制造的加工質(zhì)量控制和產(chǎn)品壽命評(píng)估、大型基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)、高速鐵路線路和車輛結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域成功應(yīng)用，而國內(nèi)雖然有中國商用飛機(jī)有限公司、中國特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院、中國鐵道科學(xué)研究院等眾多科研院所開展了一些基本概念和技術(shù)的跟蹤，但是普遍缺乏系統(tǒng)性、前瞻性的知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。特別是，需要目標(biāo)明確的無損檢測及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研發(fā)依托實(shí)體，以及建立具有趕超國際先進(jìn)水平的無損檢測及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究隊(duì)伍[11]。目前國內(nèi)還沒有真正出現(xiàn)能夠與Olympus、Zetec、Eddyfi、Sonatest和GE公司等國際巨頭抗衡的無損檢測技術(shù)領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)，以及世界領(lǐng)先的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)機(jī)構(gòu)[12]。

表2 我國無損檢測行業(yè)發(fā)展情況Table 2 Development of nondestructive testing industry in China

突破目前現(xiàn)狀，縮小與先進(jìn)國家差距，除了充分發(fā)揮現(xiàn)有能力和利用現(xiàn)有條件外，有必要建設(shè)專門的研究機(jī)構(gòu)和人才培養(yǎng)基地，加強(qiáng)無損檢測和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)相關(guān)研究的人才培養(yǎng)，強(qiáng)化基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和前瞻性研究。

3 高速載運(yùn)等重大設(shè)施領(lǐng)域無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，在高速載運(yùn)設(shè)施領(lǐng)域無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢按照3個(gè)階段，從無損探傷逐漸進(jìn)化到無損評(píng)價(jià)：第一階段是無損探傷（Nondestructive inspection，NDI)，即探測和發(fā)現(xiàn)缺陷；第二階段是無損檢測（Nondestructive testing，NDT)，即探測和發(fā)現(xiàn)試件的缺陷、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)；第三階段是無損評(píng)價(jià)（Nondestructive evaluation，NDE)，即不僅要求發(fā)現(xiàn)缺陷，探測試件的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性質(zhì)，還要獲取更全面、準(zhǔn)確和綜合的信息，輔以成像技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)等，與材料力學(xué)、斷裂力學(xué)等學(xué)科綜合應(yīng)用，以期對試件的設(shè)計(jì)、質(zhì)量、性能和壽命做出全面、準(zhǔn)確的在線評(píng)價(jià)[13]。

在高速載運(yùn)設(shè)施領(lǐng)域無損檢測和狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)包括：

（1）全壽命狀態(tài)檢測。除了傳統(tǒng)的針對缺陷的檢測之外，要求針對缺陷發(fā)生前、萌發(fā)期和斷裂全過程的材料微觀結(jié)構(gòu)變化、塑性形變、疲勞狀態(tài)進(jìn)行測量，由測缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)闇y狀態(tài)。

（2）全覆蓋適應(yīng)。覆蓋檢測對象不同深度，以及存在管道防護(hù)層、埋地、伴水、高溫高壓等多種狀態(tài)。

（3）高效率檢測。實(shí)現(xiàn)快速的、盡可能的非接觸檢測、在線檢測，例如高鐵鋼軌巡檢要求80 km以上的巡檢速度。

（4）多交叉技術(shù)，與材料、力學(xué)、工藝、應(yīng)用載荷等因素具有多交叉的關(guān)系，與聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、核技術(shù)等多種物理原理具有耦合關(guān)系。

3.1 基于多物理原理的新型損傷檢測技術(shù)研究

對于不同的無損檢測技術(shù)，其都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，不同技術(shù)之間可以相互補(bǔ)償各自在檢測中存在的缺陷。因此，將不同的檢測技術(shù)相結(jié)合，可以提高檢測的可靠性和檢測效果。

3.1.1 高速電磁檢測技術(shù)

在高速及重載鐵路損傷巡檢的難題主要有：檢測的多深度，包括表面接觸疲勞裂紋以及內(nèi)部的傷損，要求覆蓋輪軌等承載作用的整個(gè)部分的檢測，能夠捕捉從表面小缺陷到宏觀缺陷的發(fā)展過程；對應(yīng)力和疲勞狀態(tài)的測量要求，由于無縫鋼軌的大量采用，鋼軌溫度應(yīng)力、疲勞狀態(tài)造成的損傷將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，需要對應(yīng)力和疲勞的狀態(tài)進(jìn)行檢測。檢測的高速度：由于檢修時(shí)間的縮短，希望檢測速度達(dá)到80 km/h以上，滿足維修天窗時(shí)間[14]。超聲波技術(shù)由于存在表面盲區(qū)或雜波效應(yīng)，難以對表面小缺陷進(jìn)行測量。而電磁檢測技術(shù)不受原理限制，具有實(shí)現(xiàn)高速檢測的可能性，同時(shí)對表面缺陷敏感，能夠很好地彌補(bǔ)超聲檢測的缺點(diǎn)[15]。

高速電磁檢測技術(shù)解決了鋼軌頂表面?zhèn)麚p檢測的難題，克服檢測裝置高速運(yùn)動(dòng)條件下對鋼軌鐵磁性材料動(dòng)態(tài)磁化、渦流影響等速度瓶頸，實(shí)現(xiàn)在高速及重載鐵路應(yīng)用條件下，服役鋼軌表面、亞表面的裂紋缺陷損傷進(jìn)行快速巡檢的方法，滿足80～350 km/h的巡檢速度需求。工信部“高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“在役鋼軌缺陷綜合檢測監(jiān)測設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用”子課題與國家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)“鋼軌接觸疲勞及裂紋多物理高速巡檢監(jiān)測技術(shù)攻關(guān)”子課題。針對鋼軌頂面不同類型傷損產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理進(jìn)行深入探究，對不同深度、長度、寬度、角度的缺陷進(jìn)行電磁仿真研究，并分析了不同勵(lì)磁條件對檢測效果的影響。在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用陣列式傳感器對人工標(biāo)準(zhǔn)樣例、人工埋藏傷損樣例、自然魚鱗傷損（圖2）進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)，并通過高速轉(zhuǎn)臺(tái)模擬在350 km/h速度條件下的檢測效果。在軌檢測采用自主研發(fā)的雙軌中速電動(dòng)探傷車，使用滑靴式探頭結(jié)構(gòu)，對鋼軌軌頭頂面和軌距角處表面裂紋進(jìn)行檢測。雙軌電動(dòng)探傷車也可搭載超聲、渦流等多種檢測系統(tǒng)，對軌腰和軌底內(nèi)部缺陷以及焊縫處核傷等傷損進(jìn)行檢測。目前，高速電磁檢測系統(tǒng)已搭載到鐵道科學(xué)研究院新一代自主化大型鋼軌綜合探傷車GTC-80進(jìn)行實(shí)際巡檢速度80 km/h的測試試驗(yàn)。如圖3所示為電磁檢測系統(tǒng)與應(yīng)用。

圖2 鋼軌傷損實(shí)物圖Fig.2 Actual damage to the rail

3.1.2 脈沖渦流激勵(lì)熱成像

脈沖渦流激勵(lì)熱成像技術(shù)作為電磁學(xué)和光學(xué)的物理原理的結(jié)合，在裂紋檢測和定量描述上的優(yōu)勢引起了廣泛的關(guān)注。田貴云教授與巴斯大學(xué)、勞斯萊斯、阿爾斯通等合作，對脈沖渦流及熱成像原理、檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、紅外圖像分析處理以及特征提取等進(jìn)行了研究，并成功研制出描述金屬和復(fù)合材料缺陷的ECPT熱成像系統(tǒng)[16]。脈沖渦流激勵(lì)熱成像系統(tǒng)可以描述金屬和復(fù)合材料缺陷，再現(xiàn)缺陷周圍熱擴(kuò)散的過程和磁場分布，實(shí)現(xiàn)了對缺陷的快速準(zhǔn)確定位，并通過對材料在應(yīng)力作用、疲勞下的熱學(xué)特性的分析，檢測材料的疲勞等微觀結(jié)構(gòu)變化。脈沖渦流激勵(lì)熱成像技術(shù)主要由電子科技大學(xué)田貴云團(tuán)隊(duì)研究的ECPT熱成像系統(tǒng)，能快速有效地在線測量金屬構(gòu)件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分布[17]，南京航空航天大學(xué)田裕鵬團(tuán)隊(duì)針對導(dǎo)電材料面內(nèi)方向性熱擴(kuò)散率的測量，提出脈沖渦流熱成像的新方法[18]。

3.1.3 激光超聲技術(shù)

圖3 電磁檢測系統(tǒng)與應(yīng)用Fig.3 Electromagnetic detection system and application

無損檢測技術(shù)研究者將激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于超聲檢測中[19]。其優(yōu)勢在于激光超聲可以實(shí)現(xiàn)與被測物體非接觸式產(chǎn)生超聲，檢測過程不需要耦合劑，可以降低檢測誤差，減少對被測物體表面的污染；激光超聲檢測換能器余震產(chǎn)生較小的檢測盲區(qū)，可檢測厚度較薄的材料[20]；激光超聲可實(shí)現(xiàn)大面積、快速掃查，對被檢測物表面光滑度要求較低；激光超聲不需要使用不同類型的探頭產(chǎn)生橫波、縱波和表面波，一次激發(fā)可產(chǎn)生這3種類型的超聲波[21]。

重點(diǎn)研究激光超聲等非接觸超聲檢測技術(shù)的相控陣激勵(lì)、接收和數(shù)據(jù)分析、可視化，以及在材料缺陷檢測和材料性能檢測方面的典型應(yīng)用。在仿真分析、探頭的指向性能和超聲波的檢測效率、靈敏度等指標(biāo)優(yōu)化等方面占據(jù)國際前沿水平。南京航空航天大學(xué)裘進(jìn)浩團(tuán)隊(duì)采用了局部波數(shù)的算法，實(shí)現(xiàn)空間逐點(diǎn)局部波數(shù)的估計(jì)成像，可清晰地識(shí)別出損傷區(qū)域的大小和形狀[22]。王海濤團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)激光激發(fā)聲表面波經(jīng)過缺陷表面時(shí)產(chǎn)生一種振蕩效應(yīng)，振蕩信號(hào)中心頻率與近表面缺陷深度在一定范圍內(nèi)呈近似線性關(guān)系，為近表面缺陷的定量檢測提供了一種理論基礎(chǔ)[23]。

3.1.4 正電子等射線檢測技術(shù)

研究利用γ光子穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，將低輻照的核素標(biāo)記在工作媒介上，通過對分布在設(shè)備內(nèi)部的氣態(tài)或者液態(tài)工作媒介發(fā)出的正電子湮沒所產(chǎn)生的γ光子分布態(tài)的探測，采用減少散射算法和正電子正弦圖超分辨率圖像恢復(fù)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)PET成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對惡劣狀態(tài)下高端復(fù)雜設(shè)備件內(nèi)部狀態(tài)場的無損檢測。例如在不拆解的前提下檢測航空發(fā)動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)部表面的細(xì)微孔洞、噴油嘴阻塞狀態(tài)，以及在高溫高壓工作狀態(tài)下對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中氣流場的分布、變化情況進(jìn)行監(jiān)測的重大科學(xué)和工程問題。目前，本學(xué)科正在搭建國內(nèi)第一臺(tái)用于工業(yè)無損檢測的PET成像測試系統(tǒng)。南京航空航天大學(xué)趙敏團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種變結(jié)構(gòu)γ光子探測器，可根據(jù)工業(yè)件大小調(diào)節(jié)探測孔徑,并實(shí)現(xiàn)晶體探測模塊與機(jī)架分離[24]。

3.2 材料應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性等狀態(tài)檢測

目前對于在役材料而言，無損檢測及評(píng)估的方法主要是進(jìn)行缺陷檢測和特征分析。但由于原理和工藝的局限性，現(xiàn)場使用的傳統(tǒng)方法基本上基于檢測已發(fā)展成形的缺陷，而不能發(fā)現(xiàn)和預(yù)測將要發(fā)生缺陷的部位，對于在役金屬設(shè)備及構(gòu)件的早期損傷，特別是尚未成形的隱性不連續(xù)性變化，難以實(shí)施有效的評(píng)價(jià)。特別關(guān)鍵部件的應(yīng)用場合，例如某些存貯設(shè)備部件，工作在載荷大、環(huán)境惡劣的場合，其失效將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，僅僅依賴已發(fā)生的宏觀缺陷進(jìn)行壽命判別已不能滿足應(yīng)用要求。而材料的失效模型，與材料微觀結(jié)構(gòu)、載荷變化、應(yīng)力狀態(tài)、缺損狀態(tài)及如上種種因素的歷史情況具有嚴(yán)密的復(fù)雜的關(guān)系。因此，對于材料的狀態(tài)評(píng)估，不能僅僅依靠當(dāng)前的宏觀缺損狀況，而應(yīng)該更多獲得材料微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和缺損的變化歷史情況。

在缺陷形成的各個(gè)階段，對于材料的微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)的觀察都是必要的。而在事實(shí)上，設(shè)備的零部件和金屬構(gòu)件發(fā)生早期損傷的主要原因和本征表現(xiàn)通常是各種微觀的應(yīng)力集中導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)組織的變化，這種在應(yīng)力集中區(qū)域，疲勞、腐蝕和蠕變過程的發(fā)展尤為劇烈。而基于電磁原理的磁記憶、巴克豪森、漏磁,脈沖渦流等無損檢測手段，由于電磁信號(hào)耦合的機(jī)理上與材料的微觀特性相關(guān)，因此能夠在一定程度上從各個(gè)方面反應(yīng)被測材料的狀態(tài)。但是，由于材料的磁化機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，基于電磁的無損檢測方法在材料狀態(tài)評(píng)估的應(yīng)用領(lǐng)域一直存在關(guān)鍵性的困難，主要在于如下方面：

（1）對于材料在溫度、微觀結(jié)構(gòu)變化、應(yīng)力、作用深度等多種因素綜合作用下的工作機(jī)理，其宏觀表現(xiàn)與微觀磁化過程之間相互作用的關(guān)系的認(rèn)識(shí)解釋和驗(yàn)證仍然有限。

（2）缺乏對于應(yīng)力、疲勞、環(huán)境溫度、材質(zhì)、檢測深度以及交變激勵(lì)等諸多參數(shù)狀態(tài)下的材料在電磁檢測作用下的作用的相關(guān)性分析、因素分離和定量分析的方法，因此在工程應(yīng)用中的復(fù)雜條件下，仍然缺乏對應(yīng)力、疲勞、材質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化等問題的精確評(píng)估手段。

圖4 巴克豪森應(yīng)力檢測儀Fig.4 Barkhausen stress detector

在這個(gè)領(lǐng)域，目前國內(nèi)外進(jìn)行的工作包括如下方面：

（1）基于MBN技術(shù)的鐵磁材料機(jī)械性能和應(yīng)力檢測

巴克豪森噪聲法（MBN）：對由磁疇組成的鐵磁性材料施加交變的磁場，磁疇會(huì)沿外磁場作用方向發(fā)生90°或180°翻轉(zhuǎn)或使磁疇壁發(fā)生不可逆移動(dòng)，這種變化過程使得材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變的、階躍式的脈沖信號(hào)。

加拿大Atherton教授等[25-28]用成型設(shè)備分析應(yīng)力對MBN信號(hào)的影響,驗(yàn)證了MBN技術(shù)在線檢測的可行性。日本Tomoaki[29]通過實(shí)驗(yàn)研究為利用MBN信號(hào)測量應(yīng)力提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)北京化工大學(xué)祈欣等[30]研制了MBN技術(shù)的焊縫殘余應(yīng)力測試儀。

“高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)完成動(dòng)態(tài)巴克豪森實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證，研制出巴克豪森應(yīng)力檢測儀（圖4）；搭建巴克豪森效應(yīng)與鐵磁性材料組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對材料組織結(jié)構(gòu)檢測有十分重要的意義[31]（圖5）。

圖5 巴克豪森信號(hào)峰值和半高全寬隨壓應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Barkhausen signal peak and full width at half maximum versus compressive stress

（2）基于MIP技術(shù)的鐵磁材料機(jī)械性能和應(yīng)力檢測

相對于MBN，增量磁導(dǎo)率(MIP)技術(shù)記錄了臨時(shí)磁化變化的可逆部分。材料磁化的動(dòng)態(tài)磁場由頻率為fM，磁場強(qiáng)度為HM的低頻動(dòng)態(tài)磁場和頻率為fD(fD?fM)和強(qiáng)度為HD(HD?HM)的高頻動(dòng)態(tài)磁場疊加，其中疊加場造成了較小的內(nèi)部磁滯曲線，其斜率表示磁滯回線上每個(gè)點(diǎn)的增量磁導(dǎo)率。

國外，Boller等[32]發(fā)現(xiàn)增量磁導(dǎo)率的峰值對應(yīng)力的影響較為敏感；Grimberg等[33]設(shè)計(jì)增量磁導(dǎo)率無損檢測的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其測定的矯頑力隨疲勞次數(shù)的增大而增大；Ryu等[34]發(fā)現(xiàn)可逆磁導(dǎo)率峰峰距（PIRMP）隨著材料使用壽命的延長而下降。國內(nèi)西安交通大學(xué)的陳振茂等[35-36]將增量磁導(dǎo)率法用于碳素鋼材料塑性變形的定量無損評(píng)價(jià)。

“高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)增量磁導(dǎo)率系統(tǒng)，初步試驗(yàn)獲得了不同應(yīng)力等條件下增量磁導(dǎo)率實(shí)部信號(hào)I（a）（圖6）與虛部信號(hào)Q（b）（圖7）隨應(yīng)力變化的關(guān)系；根據(jù)不同鐵磁性材料微觀結(jié)構(gòu)對MIP信號(hào)響應(yīng)不同，提取MIP特征值（圖8），對鐵磁性材料機(jī)械性能進(jìn)行預(yù)估。

圖6 增量磁導(dǎo)率I（a）分量隨應(yīng)力變化Fig.6 Change of component of incremental permeability I(a)with stress

圖7 增量磁導(dǎo)率Q（b）分量隨應(yīng)力變化Fig.7 Change of component of incremental permeability Q(b)with stress

（3）基于磁致伸縮效應(yīng)EMAT技術(shù)的鐵磁材料機(jī)械性能和應(yīng)力檢測

當(dāng)鐵磁性材料受外磁場作用時(shí)，磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)使得材料長度或體積發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象就稱為磁致伸縮效應(yīng)。而與磁致伸縮特性相反，當(dāng)鐵磁性材料的尺寸發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，進(jìn)而會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生磁效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為逆磁致伸縮效應(yīng)。

“高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)搭建EMAT檢測系統(tǒng)，完成懸臂梁應(yīng)力加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)EMAT信號(hào)受到應(yīng)力影響，并繪制關(guān)于發(fā)射端磁感應(yīng)強(qiáng)度-接收端超聲信號(hào)幅值關(guān)系曲線（圖9）；同時(shí)根據(jù)靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度接收信號(hào)包絡(luò)峰峰值蝶形曲線提取相關(guān)特征參數(shù)，建立磁滯回環(huán)下的電磁超聲特征量與下屈服強(qiáng)度的關(guān)系（圖10）。

圖8 Q235鋼不同應(yīng)力下MIP蝶形圖Fig.8 MIP butterfly diagram of Q235 steel under different stresses

圖9 應(yīng)力對EMAT信號(hào)影響Fig.9 Effect of stress on EMAT signal

圖10 EMAT包絡(luò)峰峰值蝶形圖Fig.10 Butterfly diagram of EMAT envelope peak value

（4）基于多方法多磁參數(shù)測量技術(shù)的鐵磁性材料機(jī)械性能和應(yīng)力檢測

從本質(zhì)上說，是需要多種不同物理原理和效應(yīng)產(chǎn)生的相互獨(dú)立的信息來源，來反映材料的應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)等多種參數(shù)，并在這些信息來源的基礎(chǔ)上，采用信號(hào)處理手段進(jìn)行融合處理，從而從理論上有可能分離得到針對應(yīng)力、疲勞狀態(tài)、機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)方面的單一指標(biāo)的信息。

德國Fraunhofer研究院IZFP研究所，綜合了4種不同的微磁測量方法，亦即巴克豪森噪聲（Magnetic Barkhausen noise,MBN）、增量導(dǎo)磁率、切線磁場諧波分析和多頻率渦流（Multi-frequency eddy current,MFEC），構(gòu)建微磁多參數(shù)微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分析(Micromagnetic，multi-parameter，microstructure and stress analysis，3MA)[37]（圖11）。

“高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測和監(jiān)控技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)在某冷軋車間安裝3M設(shè)備，綜合運(yùn)用了巴克豪森、增量磁導(dǎo)率、多頻率渦流、切線磁場諧波分析等多項(xiàng)電磁無損檢測技術(shù)，對鋼板的屈服強(qiáng)度(Rp)，抗拉強(qiáng)度(Rm)，屈服延伸率(A)等進(jìn)行檢測[38]（圖12）。

圖11 3MA儀器Fig.11 3MA instrument

圖12 檢測現(xiàn)場Fig.12 Test site

3.3 無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控及人工智能的結(jié)合

智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)（Smart structure health monitoring,SSHM）是利用固定式智能裝置探測到的響應(yīng)信號(hào)，結(jié)合被測系統(tǒng)本身特性進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)、損傷程度的監(jiān)測以及對損傷位置的判定。其主要思想是通過測量結(jié)構(gòu)在不同服役期的荷載作用下的響應(yīng)信號(hào)來推斷結(jié)構(gòu)本身特性的變化情況，進(jìn)而探測和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，或通過實(shí)時(shí)在線的方法來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)長期退化過程的監(jiān)測。無損檢測技術(shù)可以為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控提供監(jiān)控的傳感手段，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控所采用的基于人工智能和服務(wù)器的信號(hào)處理，可以作為無損檢測技術(shù)的延伸。

隨著飛行器、新型橋梁、大跨度鋼架、軌道交通等工程結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，大型化、復(fù)雜化、功能化逐漸成為了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢，這使得結(jié)構(gòu)自身的服役環(huán)境不斷復(fù)雜，結(jié)構(gòu)自身的損傷形式不斷多樣，由于沖擊、振動(dòng)、極端環(huán)境等因素引起的結(jié)構(gòu)損傷問題也不斷凸顯。對于大型工程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋、復(fù)合材料內(nèi)部斷裂、金屬結(jié)構(gòu)銹蝕等主要損傷類型具有其損傷存在的隱蔽性較強(qiáng)、損傷引起的結(jié)構(gòu)失效機(jī)理較復(fù)雜、損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞程度難以判斷等特點(diǎn)。因此研究智能化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對確保大型結(jié)構(gòu)能夠長期、高可靠性服役具有重要意義。

目前，國外關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究已從基礎(chǔ)理論驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段過渡到了針對具體型號(hào)的工程驗(yàn)證階段，但其具體驗(yàn)證內(nèi)容、驗(yàn)證效果仍屬于軍事保密范疇。因此，不管對于國防還是民用工程領(lǐng)域來講，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)對大型結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有效、實(shí)時(shí)監(jiān)測在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方面具有十分重要的科學(xué)意義。在航空領(lǐng)域，作為保障復(fù)合材料可靠性、降低維護(hù)費(fèi)用和提高飛機(jī)安全性的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)都被各國極為重視。美國軍方多項(xiàng)研究計(jì)劃中都采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，如：美國國防部的直升機(jī)健康監(jiān)測項(xiàng)目VMEP(Vibration management enhancement program)中將結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測方法與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估技術(shù)相結(jié)合，針對AH-64、UH-60、OH-58D等機(jī)型實(shí)現(xiàn)了整機(jī)或局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)健康狀態(tài)監(jiān)測與評(píng)估[39]；澳大利亞國防科學(xué)技術(shù)組織(DSTO)也將自主研制的智能補(bǔ)丁“Smart Patch”在F-18機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了健康監(jiān)測試驗(yàn)[40]。目前，光纖傳感監(jiān)測技術(shù)在典型航空結(jié)構(gòu)上的發(fā)展應(yīng)用主要集中于傳感器元件的多功能化、傳感網(wǎng)絡(luò)的集成化以及數(shù)據(jù)處理的多元化，利用應(yīng)力響應(yīng)信號(hào)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部分層、微裂紋和斷裂等產(chǎn)生的應(yīng)變特征，尋找結(jié)構(gòu)損傷與監(jiān)測特征信號(hào)之間的關(guān)系。

國內(nèi)對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究始于1991年，即：國家自然科學(xué)基金委員會(huì)將智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)正式歸于國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要中，并將其作為新概念構(gòu)想探索專項(xiàng)課題進(jìn)行深入研究。時(shí)至今日，我國的一些高等院校在這方面已開展了近20年的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)等高校都開展了智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究，取得了大量成果。南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，先后在航空智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究方面取得了一批有代表性的學(xué)術(shù)成果，如袁慎芳教授團(tuán)隊(duì)將導(dǎo)波技術(shù)用于監(jiān)測飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷[41]；南京航空航天大學(xué)高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測監(jiān)控技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“城市地下基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目中，針對地下基礎(chǔ)設(shè)施（地鐵、綜合管廊和地下綜合體）可能發(fā)生6種災(zāi)害情境（如土建結(jié)構(gòu)功能失效致災(zāi)、關(guān)鍵設(shè)備及管線系統(tǒng)故障致災(zāi)、水災(zāi)及火災(zāi)等災(zāi)害情境），20種可能災(zāi)害（如結(jié)構(gòu)開裂、結(jié)構(gòu)滲漏水、接觸網(wǎng)/軌故障、軌道系統(tǒng)故障、軌旁設(shè)備脫落侵界、火災(zāi)、水災(zāi)、城市大范圍停電等災(zāi)害）進(jìn)行綜合監(jiān)測。通過以光纖傳感為主的靜態(tài)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，和鋼軌探傷車等動(dòng)態(tài)無損檢測巡檢相結(jié)合，獲得PB級(jí)別的數(shù)據(jù)，基于人工智能技術(shù)研發(fā)基于海量大數(shù)據(jù)分析的多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)深度解析、集成BIM實(shí)景模型可視化虛實(shí)聯(lián)動(dòng)、地下基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。通過該平臺(tái)可以獲得整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，進(jìn)而通過人工智能的模型進(jìn)行判別，并根據(jù)模型判別結(jié)果進(jìn)行應(yīng)急決策，最終實(shí)現(xiàn)在時(shí)間、位置、設(shè)備、故障等多維度的全方位智能監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)健康智能狀態(tài)模型如圖13所示，通過該模型可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映整個(gè)軌道基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。以結(jié)構(gòu)滲漏水為例，地下基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理模型如圖14所示。該綜合監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)在深圳地鐵的車公廟段五站三區(qū)間進(jìn)行示范應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文分析了高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢。在分析超聲檢測、渦流檢測、電磁檢測、射線檢測等常規(guī)檢測技術(shù)基礎(chǔ)上，對比了各類無損檢測技術(shù)的特點(diǎn)，并對檢測設(shè)備及探傷儀器系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。國內(nèi)無損檢測新技術(shù)發(fā)展，以更多新的物理原理和效應(yīng)為基礎(chǔ)，研究從傳統(tǒng)的宏觀損傷檢測，向前推進(jìn)到早期傷損和疲勞、彈塑性形變、應(yīng)力集中和機(jī)械性能等材料狀態(tài)的檢測。隨著檢測技術(shù)的不斷進(jìn)步，無損檢測領(lǐng)域未來也將由檢測轉(zhuǎn)型為預(yù)測，提高安全性并可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。且與人工智能、多模態(tài)多物理集成傳感、可視化成像檢測等技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而分析了無損檢測與評(píng)估和智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測集成融合等發(fā)展趨勢，以及實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)管理、信息挖掘與通信互聯(lián)的被檢測對象的性能管理和狀態(tài)維護(hù)綜合決策。對軌道交通、航空航天等高速載運(yùn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展都發(fā)揮重要的支撐和服務(wù)作用，對全國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)也發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用，是值得大家關(guān)注的重要領(lǐng)域。

圖13 結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)智能監(jiān)控模型Fig.13 Intelligent monitoring model of structural health status

圖14 地下基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理模型Fig.14 Damage monitoring and data processing model of underground infrastructure structure