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1、第十章无损检测诊断技术11.无损检测诊断技术概述 1.1 前言无损检测诊断技术是一门新兴的综合性应用学科。它是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。21.无损检测诊断技术概述 1.1 前言无损检测诊断的目的是要定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许载荷、寿命或剩余寿命。检测结构在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效、可靠地运行。31.
2、无损检测诊断技术概述 1.1 前言无损检测一般有三种含义：无损检测NDT(Nondestructive Testing);无损检查NDI(Nondestructive Inspection);无损评价NDE(Nondestructive Evaluation);NDT仅检测出缺陷；NDI 以NDT检测结果为判定基础，NDE 掌握对象的载荷、环境条件，对构件的完整性、可靠性及使用性能进行综合评价。41.无损检测诊断技术概述 1.1 前言无损检测诊断 NDTD（Nondestructive Testing Diagnostic）不但要检测构件有无缺陷，而且要判断缺陷的性质、部位、分布及危害程度，还
3、要对其寿命、使用性能、缺陷的发展趋势、等进行预测、监控和评价，为保证设备的高质量、高性能和高可靠性提供了一种重要监视手段，近年来，无损检测技术得到工业界的普遍重视，特别在航空航天、石油化工、核电站、铁道、舰艇、建筑、冶金等领域得到规范的应用。51.无损检测诊断技术概述 1.2 特点无损检测诊断技术的特点：(1)不会对构件造成任何损伤 无损检测诊断技术是一种在不破坏构件的条件下，利用材料物理性质因有缺陷而发生变化的现象，来判断构件内部和表面是否存在缺陷，而不会对材料、工件和设备造成任何损伤。61.无损检测诊断技术概述 1.2 特点无损检测诊断技术的特点：(2)无损检测诊断技术为查找缺陷提供了有效
4、方法 任何结构、部件或设备在加工和使用过程中，由于其内外部各种因素的影响和条件变化，不可避免地会产生缺陷。操作使用人员不但要知道其是否有缺陷，还要查找缺陷的位置、大小及其危害程度，并要对缺陷的发展进行预测和预报。无损检测诊断技术为此提供了一种有效方法。71.无损检测诊断技术概述 1.2 特点无损检测诊断技术的特点：(3)无损检测诊断技术能够对产品质量实现监控 产品在加工和成形过程中，如何保证产品质量及其可靠性是提高效率的关键。无损检测诊断技术能够在铸造、锻造、冲压、焊接、切削加工等每道工序中，检查该工件是否符合要求，可避免徒劳无益的加工。从而降低了产品成本，提高了产品质量和可靠性，实现了对产品
5、质量的监控。81.无损检测诊断技术概述 1.2 特点无损检测诊断技术的特点：(4)无损检测诊断技术能够防止因产品失效引起的灾难性后果 机械零部件、装置或系统，在制造或服役过程中丧失其规定功能而不能工作，或不能继续可靠地完成其预定功能称为失效。失效是一种不可接受的故障。1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机升空后70s发生爆炸，7名宇航员全部遇难，直接经济损失12亿美元，究其原因是由于固体火箭助推器尾部连接处的O型密封圈失效使燃料泄漏所致。如果用无损检测诊断技术提前或及时检测出失效部位和原因，并采取有效措施，就可以避免灾难性事故的发生。91.无损检测诊断技术概述 1.2 特点。无损检测诊
6、断技术的特点：(5)无损检测诊断技术具有广阔的应用范围 无损检测诊断技术可适用于各种设备、压力容器、机械零件等缺陷的检测诊断。例如金属材料(磁性和非磁性，放射性和非放射性)、非金属材料(水泥、塑料、炸药)、锻件、铸件、焊件、板材、棒材、管材以及多种产品内部和表面缺陷的检测。因此，无损检测诊断技术受到工业界的普遍重视。101.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(1)超声检测诊断 设备：超声探伤仪、探头、耦合剂及标准试块等；用途：检测锻件的裂纹、分层、夹杂，焊缝中的裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透，型材的裂纹、分层、夹杂、折叠，铸件中的缩孔、气泡、热裂、冷裂、疏松、夹渣等缺陷及厚度测定。优点：
7、对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果；易于携带；穿透力强。局限性：为耦合传感器，要求被检表面光滑，难于探测出细小裂纹；要有参考标准，为解释信号，要求检验人员有较高的素质；不适用于形状复杂或表面粗糙的工作。111.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(2)声发射检测诊断设备：声发射传感器、放大电路、信号处理电路及声发射信号分析系统。用途：检测构件的动态裂纹、裂纹萌生及裂纹生长率等。优点：实时并连续监控探测，可以遥控，装置较轻便。局限性：传感器与试件耦合应良好，试件必须处于应力状态，延性材料产生低幅值声发射，噪声不得进入探测系统，设备昂贵，人员素质要求高。121.无损检测诊断技术概述 1.3
8、常用方法(3)噪声检测诊断 设备：声级计、频率分析仪、噪声级分析仪。用途：检测设备内部结构的磨损、撞击、疲劳等缺陷，寻找噪声源(故障源)。优点：仪器轻便，检测分析速度快，可靠性高。局限性：仪器较贵，对人员素质要求较高。131.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(4)激光检测诊断设备：激光全息摄影机。用途：检测微小变形、夹板蜂窝结构的胶接质量，充气轮胎缺陷、材料裂纹、高速物理过程中等离子体诊断和高速碰撞等。优点：检测灵敏度高、面积大、不受材料限制、结果便于保存。局限性：仅适用于近表面缺陷检溅。141.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(5)微波检测诊断 设备：微波计算机断层成像机(微波C
9、T机)。用途：检测复合材料、非金属制品、火箭壳体、航空部件、轮胎等；还可测量厚度、密度、：湿度等物理参数。优点：非接触测量，检测速度快，可实现自动化。局限性：不能用来检测金属导体内部缺陷，一般不适用于检测小于1mm的缺陷，空间分辨率比较低。151.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(6)光纤检测诊断 设备，光纤内窥镜、光纤裂纹检测仪。用途：检测锅炉、泵体、铸件、炮筒、压力容器、火箭壳体、管道内表面的缺陷及焊缝质量和疲劳裂纹等。优点：灵敏度高，绝缘好，抗腐蚀，不受电磁干扰。局限性：价格较贵，不能检测结构内部缺陷。161.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(7)涡流检测诊断设备：涡流探伤仪
10、和标准试块。用途：检测导电材料表面和近表面的裂纹、夹杂、折叠、凹坑、疏松等缺陷，并能确定缺陷位置和相对尺寸。优点：经济、简便，可自动对准工件探伤，不需耦合，探头不接触试件。局限性：仅限于导体材料，穿透浅，要有参考标准，难以判断缺陷种类，不适用于非导电材料。171.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(8).X射线检测诊断 设备：X射线源(机)和电源，要有和使用射线源相同的设备。用途：检测焊缝未焊透、气孔、夹渣，铸件中的缩孔、气孔、疏松、热裂等，并能确定缺陷的位置、大小及种类；优点：功率可调，照相质量比丁射线高，可永久记录。局限性：X射线设备一次投资大，不易携带，有放射危险，要有素质高的操作和
11、评片人员，较难发现焊缝裂纹和未熔合缺陌，不适用于锻件和型材。181.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(9).射线检测诊断设备：射线探伤仪，底片夹、胶片，射线铅屏蔽，胶片处理设备，底片观察光源，曝光设备以及辐射监控设备等。用途：检测焊接不连续性(包括裂纹、气孔、未熔合、未焊透及夹渣)以及腐蚀和装配缺陷；。最宜检查厚壁体积型缺陷。优点：获得永久记录，可供日后再次检查，源可以定位在诸如钢管和压力容器之类的物体内。局限性：不安全，要保护被照射的设备，要控制检验源的曝光能级和剂量，对易损耗的辐射源必须定期更换，源输出能量(波长)不能调节，成本高，要有素质高的操作和评片人员。191.无损检测诊断技术
12、概述 1.3 常用方法(10)磁粉检测诊断设备：磁头，轭铁，线圈，电源及磁粉。某些应用中要有专用设备和紫外光源。用途：检测铁礞性材料和工件表面或近表面的裂纹、折叠、夹层、夹渣等，并能确定缺陷的位置、大小和形状。优点：简单、操作方便，速度快，灵敏度高。局限性：限于铁磁材料，探伤前必须清洁工件，涂层太厚会引起假显示，某些应用要求探伤后给工件退磁，难以确定缺陷深度，不适用于非铁磁性材料。201.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(11).渗透检测诊断 设备：荧光或着色渗透液，显像液，清洗剂(溶剂、乳化剂)及清洁装置。如果用荧光着色，则需紫外光源。用途：能检测金属和非金属材料的裂纹、折叠、松疏、针
13、孔等缺陷，并能确定缺陷的位置、大小和形状。优点：对所有的材料都适用；设备轻便，投资相对较少；探伤简便，结果易解释。局限性：涂料、污垢及涂覆金属等表面层会掩盖缺陷，孔隙表面的漏洞也能引起假显示，探伤前后必须清洁工件；难以确定缺陷的深度；不适用于疏松的多孔性材料。211.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(12)目视检测诊断设备：放大镜、彩色增强器、直尺、千分卡尺、光学比较仪及光源等。用途：检测表面缺陷、焊接外观和尺寸。优点：经济、方便、设备少，检验员只需稍加培训。局限性：只能检查外部(表面)损伤，要求检验员视力好。221.无损检测诊断技术概述 1.3 常用方法(13)工业CT检测诊断 设备：
14、工业CT机。用途：缺陷检测，尺寸测量，装配结构分析，密度分布表征。优点：能给出检测试件断层扫描图像和空间位置、尺寸、形状、成像直观；分辨率高；不受试件几何结构限制。局限性：设备成本高。232.超声检测诊断技术 2.1 概述超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。超声检测诊断技术是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响，来判断结构内部及表面缺陷的大小、形状和分布情况。超声用于无损检测诊断，主要因为：1)超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射；2)超声波具有良好的指向性，频率愈高，指向性愈好；3)超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。242.超声检测诊
15、断技术 2.1 概述近年来的研究表明，超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息，并且成为超声波广泛应用的条件。超声检测适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、设备轻巧、成本低廉、可及时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行检测和诊断。252.超声检测诊断技术 2.1 概述 超声检测诊断技术是无损检测中应用最为广泛的方法之一。就无损探伤而言，超声法适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁有色金属和非金属，都可以采用超声法进行检测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器、非金属材
16、料等。就物理性能检测而言，用超声法可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。262.超声检测诊断技术 2.1 概述随着微电子技术的发展和计算机的普遍应用，超声检测仪器和检测方法得到了迅速发展，使超声检测的应用更为普及。目前，微计算机在超声检测中能够完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能。许多超声检测仪器都把微处理器作为一个部件而组装在一起，去执行处理数据和图像任务。一些全电脑对话式超声探伤仪，可在屏幕上同时显示回波曲线和检测数据，存储仪器调整状态、缺陷波形和各种操作功能。272.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征超声波是一种人耳不能
17、听到的高频声波。人耳能听到的声波频率为2020000Hz，当频率超过20000Hz，人耳就听不见了。通常人们把频率在20X10220X106Hz范围内的声波称为超声波。超声波主要有以下基本特征。(1)超声波的传播特征1)超声波在均匀介质中的传播。当介质中某点发生超声振动时，由于相邻介质质点间的弹性作用，振动质点将引起邻近质点振动。这些质点的超声振动就会由近而远地在介质中传播，282.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征其波长为c/f c T 式中 超声波在介质中传播的波长(mm)；c 超声波在介质中传播的速度(mms)；f 超声波在介质中传播的频率(Hz)；T 超声波在介质中传播的周期(
18、s)。在这里，f 由超声声源决定，c主要取决于介质的性质。292.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征 2)超声波在界面的反射和折射。超声波与光波一样，在界面具有反射和折射性质，其反射律和折射律完全与光波类似。由于超声波频率高、波长短，在均匀介质中能定向传播且能量衰减很少，因而可传播很远距离。但在它传播的路径上如果遇到一个细小的缺陷，如气孔、裂纹等，在金属与空气相接触的界面上就会发生反射，且能量被明显地衰减。基于超声波的这一特性，就可以检测金属内部的缺陷。302.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(2)超声波的波型特征在探伤中所用的超声波波型主要有纵波、横波和表面波。1)纵波。振
19、源施加于质点上的作用力，使质点波动传播的方向与质点振动方向一致时的振动称为纵波，如图31a所示。目前使用中的探头(超声波辐射器)所产生的波型一般是纵波形式。纵波在被检零件中的传播情况如图31b所示。利用纵波，可以检验几何形状简单的物体的内部缺陷。312.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征纵波的实例：322.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(2)超声波的波型特征2)横波。质点振动方向与波的传播方向相互垂直时的振动波称为横波，如图32a所示。横波在被检零件中的传播情况如图32b所示。横波通常是由纵波通过波型转换器转化而来。利用横波可以探测管件、杆件和其他几何外形复杂零件的缺陷。在
20、同样工作频率下，横波探伤的分辨率要比纵波几乎高1倍。332.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征3)表面波。表面波是沿着零件表面传播。产生表面波的方法类似于波的产生，可通过波形转换器得到。表面波沿着零件表面传播，可用来测量零件表面的裂纹和缺陷。342.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(1)共振法(2)各种物体都有固有振动频率。当发射到物体内的超声波频率等于物体的固有频率时，会产生共振现象。(3)利用共振现象检测物体缺陷的方法叫共振法。(4)共振法主要用于检测工件的厚度。(5)监测时，通过调整超声波的发射频率，以改变发射到工件中的超声波的波长，使工件厚度为超声波半波长的整数倍时，
21、便产生共振。由此可测出工件厚度。352.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(2)穿透法(透射法)(3)根据超声波穿透工件后能量的变化来判断内部有无缺陷。(4)两个探头置于试件两侧面，一个探头发射超声波，另一个接收，根据接收到的超声波的强弱判断内部是否有缺陷。(5)若无缺陷，超声波较强，衰减较小。(6)若有缺陷，超声波在缺陷处会反射或折射，阻止超声波到达接收探头。(7)优点：设备简单，操作容易，检测速度快。(8)缺点：不能探测缺陷深度，灵敏度低，探头位置要求高。362.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(3)脉冲反射法 目前应用最广泛的超声波检测法。将具有一定持续时间和一定频率间
22、隔的超声脉冲反射到被测工件，超声波遇到缺陷时，会产生反射，根据反射信号的时差变化，及在显示器上的位置可判断缺陷大小及深度。优点：通过改变入射角，可发现不同方位的缺陷，利用表面波可以检测复杂形状的表可对薄板进行探伤。372.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(4)直接接触法 探头与工件表面直接接触进行检测。(要涂一层耦合剂)。工件表面粗糙度应小于6.3 mm(表面不平度为0.084mm)。工件表面曲率对探伤灵敏度也有影响，表面曲率大时，接触面积减小使灵敏度降低。耦合剂一般使用中等粘度的机油，甘油的声阻抗最高，易溶于水，也很常用。优点：灵活、方便、耦合层薄，声能损失少。缺点：耦合层厚度难以
23、控制，探头磨损大，测速慢。382.超声检测诊断技术 2.2 超声波的基本特征(5)液浸法 在探头与工件间充以液体，进行探伤，一般用水。探头与工件不接触，超声波的发射和接收都比较稳定。超声波在液体与工件界面产生界面波，大部分声能传入工件，在缺陷处反射，另一部分传入底面反射。S为发射波，B为界面波，F为缺陷波，D为底波灵敏度提高10dB,不应有冷热对流。392.超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用超声检测的应用：水浸（喷水）法检测钢管、锻件402.超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用超声检测的应用：412.超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用超声检测的应用：多探头检测大型管道 422.
24、超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用热交换器焊缝的超声检验 432.超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用水轮发电机组大轴的超声检验 442.超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用自行研制的大直径管多通道超声探伤设备 452.超声检测诊断技术 2.4 超声检测的应用铁塔椿基混凝土质量的超声检测 杨浦大桥钢结构件焊缝的磁粉检验 463.声发射检测诊断技术 3.1 概述 声发射：Acoustic Emission 是一种评价材料损伤的动态无损检测技术。通过对声发射信号的处理和分析评价缺陷发生和发展的规律，确定缺陷位置。声发射是材料在外力作用下，缺陷因应力集中产生变形或断裂，用弹性波释放应变
25、能的一种现象。多数金属材料塑性变形或断裂时都有声发射信号，用仪器检测、分析声发射信号并确定声发射源的技术称为声发射技术。利用声发射技术可以对缺陷进行判断和预报，并对材料和构件进行评价。473.声发射检测诊断技术 3.1 概述声发射检测诊断特点：1.声发射是一种动态无损检测诊断技术：内部缺陷在外力作用下本身能动地反射声波来判断反射地点的部位和状态。2.声发射检测几乎不受材料限制。3.声发射检测灵敏度高。4.可实现在线检测。能够减少停产的损失。483.声发射检测诊断技术 3.1 概述声发射技术应用范围：1.压力容器的安全评价。压力容器数量巨大，相当部分有质量问题，需要开发可靠性高、速度快、费用低的
26、检测方法。2.机械制造过程的监控。车刀破损检测系统和钻头折断报警系统。准确率可达99。3.油田应力测量。人工压裂裂纹沿最大水平方向扩展，油井、水井不应沿该方向排列。493.声发射检测诊断技术 3.1 概述声发射技术应用范围：4.复合材料特性研究。检测纤维丝束的断裂及载荷分布。可区分复合材料层板不同阶段的断裂特性，如基体开裂、纤维与树脂界面开裂、裂纹层间扩展、和纤维丝断裂等。5.结构完整性评价。用声发射检测F-15和F-111飞机疲劳裂纹及结构完整性。6.焊接结构疲劳损伤检测诊断。7.泄漏检测。泄漏产生的声发射信号比较大，其频谱有较大峰值，通过相关分析，可确定泄漏点位置。503.声发射检测诊断技
27、术 3.1 概述优点：可对裂纹遥测定位；测量系统可很快设置；灵敏度高；对测试目标只要求有限地接近；可检测活动裂纹；只需要相对很小负载；有时能预报毁坏负载；缺点：结构必须承载；与材料密切相关；会受电噪声和机械噪声影响；定位精度有限；裂纹类型只能给出有限信息；难于解释测量结果；513.声发射检测诊断技术 3.2 声发射检测方法声发射是物体受外部条件作用使其状态发生改变而释放出来的一种瞬时弹性波。充压系统的泄漏、材料的屈服过程、机械噪声都是连续型声发射信号。特点是：波幅没有大的起伏，发射频度高能量小。材料中裂纹产生和扩展，会产生突发型声发射信号。为脉冲波形，峰值很大，但衰减很快。声发射的典型波形突发型连续型523.声发射检测诊断技术 3.2 声发射检测方法 声发射信号的特征：1.它是上升时间很短的振荡脉冲信号，上升时间为104108秒，信号的重复速度很高。2.声发射信号有很宽的频率范围，从次声波到30 MHz。3.信号是不可逆的,具有不重现性。同一试件在同一条件下产生的声发射只有一次(Kaiser效应)。4.信号不仅与外部因素，而且与内部因素有关。具有随机性。5.频率范围很宽，信号具有模糊性53