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【材料课堂】特种设备无损检测技术大盘点

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无损检测是利用声、光、热、电、磁和射线等与被检测物质的交互作用,再不破坏不损伤被检验物(材料、零件、结构件等)的前提下,掌握和了解其内部及近表面缺陷状况的现代检测技术。无损检测不但可以探明金属材有无缺陷。而且还可以给出材质的定量评价,其中包括对缺陷的定量(形状、大小、位置、取向等)测量和对有缺陷材料的质量评价。同时,也可以测量材料的力学性能和某些物化性质。

图片来源:网络

 

无损检测方法有很多种,最常用的有射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)、涡流检测(ET)和声发检测(AE)等六种常规方法。每种无损检测方法均有其优缺点和局限性,这些方法对金属材料缺陷的检出率都不会是100%,各种检测方法的检测结果不会完全相同,因此各种方法对不同的缺陷检测有所适用。超声检测和射线检测主要用于被检测物的内部缺陷;磁粉检测和涡流检测主要用于探测表面和近表面缺陷;渗透检测仅用于探测被检测物表面开口处的缺陷;而声发检测主要用于动态无损检测。

 

1、超声检测(UT)

超声波是一种超出人的听觉范围的高频率弹性波。人耳能听到的声音频率为16HZ—20kHZ,而超声检测装置所发出和接收的频率要比20kHZ高得多,一般为0.5MHZ-25MHZ,常用的频率范围为0.5-10MHZ。在此频率范围的超声波具有直线性和束射性,像一束光一样向着一定的方向传播,即具有强烈的方向性。若向被检测材料发出超声波,在传播的途中遇到障碍(缺陷或其他异质界面),其方向和强度就受到影响,于是超声波发生反射、折射、散射或吸收等,根据这种影响的大小就可确定缺陷内部的尺寸、物理性质、方向性、分布方式及分布位置等。

 

超声检测按原理可分为三类:

1)根据缺陷的回波和地面的回波来进行判断的脉冲反射法;

2)根据缺陷的阴影来判断缺陷情况的穿透法;

3)根据被检测件产生驻波来判断缺陷情况的共振法。

 

超声检测的应用范围:

不但用于板材、管材的探伤,也可用于加工产品锻件、铸件、焊接件的探伤,主要检测被检测物内部和表面的各种潜在缺陷。根据被检测件的加工情况,一般可以估计估计出缺陷的方向各大致位置。

 

超声检测的特点:

1)对面缺陷敏感;

2)检测距离大;

3)检测装置小、轻便、费用低;

4)检测结果不直观,无客观性记录,对缺陷的种类需要有高度熟练的技术。

 

2、磁粉检测(MT)

磁粉检测是利用被检测材料的铁磁性能以检测其表面的微小缺陷(如裂纹、夹杂物、折叠等)的一种无损检测方法。这种检测方法主要用于检测铁磁性材料(铁、镍、钴及其合金)的表面或近表面的裂纹及其缺陷。采用磁粉检测法检测磁性材料的表面缺陷比采用超声检测或射线检测的灵敏度高,而且操作方便、结果可靠、价格便宜。

 

进行磁粉检测时,首先将被检测件磁化。通常无缺陷的构件,其磁性是均匀分布的,任何部位的磁导率都相同,因此各个部位的磁通量也很均匀,磁力线通过的方向不会发生变化。如果材料的均匀化度受到某些缺陷(如裂纹、孔洞、非磁性夹杂物或其他不均匀组织)的破坏,即材料某处的磁导率较低时,通过该处的磁力线就会受到歪曲而偏离其原来方向,力求绕过这种磁导率很低的缺陷,这样就会形成局部的“漏磁磁场”,这些漏磁部位便产生弱小极。此时,如果将磁粉喷洒在构件表面上,则有漏磁处就会吸收磁粉,且磁粉的堆积与缺陷的大小和形状近似。为了提高检测灵敏度,还可以采用荧光磁粉,在紫外线的照射下使之更容易观察到工件缺陷的存在。

 

磁粉检测适用范围:

磁粉检测具有操作简便,检测迅速,灵敏度高的有点,广泛应用于各个工业领域。在铸件、锻件的制造过程,焊接件的加工过程,机械零件的加工过程,特别是在锅炉、压力容器、管道等定期维修过程中,磁粉检测都是重要的常用的无损检测手段。

磁粉检测特点:

1)操作简便、直观、灵敏度高;

2)适用于磁性材料的表面和近表面的缺陷检测;

3)不适用非磁性材料和构件内部缺陷的检测;

4)能检测出缺陷的位置和表面长度,但不能确定缺陷的深度。

 

3、射线检测(RT)

应用X射线或 γ 射线透照或透视的方向来检测材料或构件的内部宏观缺陷,统称为射线检测。采用这种方法检验金属构件中的内部缺陷,主要是利用射线通过构件,不同的缺陷对射线强度将不会程度的减弱,根据减弱的情况,可以判断缺陷的部位、形状、大小和严重性等。

 

射线检测方法:

根据测定和记录射线的强度方法不同,通常有照相法、荧光显示法、电视观察法、电离法和发光晶体记录法。

 

射线检测适用范围及特点:

射线检测是适用于检查构件的内部缺陷的检测方法。在压力容器、锅炉、船体、管道和其他结构件的焊缝和铸件应用十分广泛。

 

一般能检测厚度小于500mm的钢铁件,对于厚的构件,可以使用高能射线和 γ 射线检测,对于薄的构件可以使用软X射线检测;对于气孔、夹渣、缩孔等体积性缺陷,在X射线透射方向有较明显的厚度差,即使很小的缺陷也较容易检查出来;对于如裂纹这样的面缺陷,只有与裂纹方向平行的X射线照射时才能够被检测出来;射线检测不能检测复杂的结构件。

 

4、渗透检测(PT)

零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透液后,在毛细管作用下,经过一定时间,渗透液可以渗进表面开口的缺陷中,经去除零件表面多余的渗透液后,再在零件表面施涂显像剂;同样在毛细管作用下,显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液,渗透液回渗到显像剂中;在一定的光源下(紫外线光或白光),缺陷处的渗透液痕迹被显示(黄绿色荧光或鲜红色),从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

 

渗透检测方法:

根据渗透液所含染料成分,可分为荧光法、着色法两大类;根据渗透液去除方法,可分为水洗型、后乳化型和溶剂去除型 3大类;按照上述分类方法,可组合成6种渗透检测方法,即:水洗型荧光渗透检测法、后乳化型荧光渗透检测法、溶剂去除型荧光渗透检测法、水洗型着色渗透检测法、后乳化型着色渗透检测法、溶剂去除型着色渗透检测法。

 

渗透检测适用范围及特点:

着色法只需在白光或日光下进行,在没有电源的场合下也能工作;荧光法需要配备黑光灯和暗室,无法在没有电源及暗室的场合下工作。水洗着色法适于检查表面较粗糙的零件,操作简便,成本较低。水基渗透液着色法适用于检查不能接触油类的特殊零件,但灵敏度很低。后乳化型着色法具有较高灵敏度,适宜检查较精密零件,但对螺栓、有孔、槽零件以及表面粗糙零件不适用。溶剂去除型荧光法轻便,适用于局部检查,重复检查效果好,可用于无水源场所,灵敏度较高,成本亦较高。

 

5、涡流检测(ET)

涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的无损检测方法。已知法拉第电磁感应定律,在检测线圈上接通交流电,产生垂直于工件的交变磁场。检测线圈靠近被检工件时,该工件表面感应出涡流同时产生与原磁场方向相反的磁场,部分抵消原磁场,导致检测线圈电阻和电感变化。若金属工件存在缺陷,将改变涡流场的强度及分布,使线圈阻抗发生变化,检测该变化可判断有无缺陷。

 

涡流检测方法:

涡流检测技术按激励方式和检测原理的不同可以分为单频涡流检测技术、远场涡流检测技术、多频涡流检测技术和脉冲涡流检测技术等。

 

涡流检测适用范围及特点:

涡流检测主要用于在用压力容器换热器换热管的腐蚀状态和焊缝表面裂纹的检测,可以在不去除表面涂层的情况下探测金属材料的表面裂纹。

 

6、声发检测(AE)

声发射用于检测特种设备可能存在的活动性缺陷,也可用于已知缺陷的活性评价。不同于其它无损检测方法,声发射检测必须在检测过程中对特种设备进行加载,常用的加载方法为承压设备停止运行后的水压或气压试验,也可采用工况进行直接加载。对活动性缺陷,在加载过程中用多个声发射传感器对被检件进行整体监测,以发现活性声发射源,然后通过对活性声发射源进行表面和内部缺陷识别,排除干扰源。对已知缺陷进行的活性评价是在加载过程中监测已知缺陷,如果无声发射定位源产生,则认为缺陷是非活性的;若有大量声发射定位源信号产生,则认为已知缺陷是活性的。

 

声发检测的适用范围及特点:

1)声发射是一种动态检测方法,探测到的能量来自被测物本身,而非超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供。

2)声发射检测方法对线性缺陷较为敏感,能探测到在外加结构应力下线性缺陷的活动情况,且稳定的缺陷不产生声发射信号。

3)在一次试验过程中,声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态。

4)对于在役压力容器的定期检验,声发射检测方法可以缩短检验的停产时间或无需停产。

5)对于压力容器的耐压试验,声发射检测方法可以预防由未知缺陷引起的灾难性失效和限定压力容器的最高工作压力。

 

【参考文献】

1、廖景娱·金属构件失效分析[M]·北京:化学工业出版社,2003.

2、沈功田·特种设备无损检测技术综述[J]·特种设备检测专题论坛

3、吴明复·焊缝的无损检测技术[J]·航天工艺

4、沈功田·压力容器无损检测——声发射检测技术[J]·无损检测

5、王永辉·谈压力容器的渗透检测[J]·科技论坛

 

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