第1章 绪论
1.1 常规无损检测技术
无损检测技术(Non-Destructive Testing Technology，NDT)又称非破坏检查技术，是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学技术无损检测技术最突出的特点是“无损伤检查”，即在不损伤被检物使用性能用途及形态的条件下实现检查该技术可以用来发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，并能测定材料或工件的内部组成结构物理性能和状态等，因此，在工业生产制造科学研究等领域得到重视和迅速发展
在石油化工舰船钢铁和机械等行业中，一些结构比较特殊的部件，如绳杆管板等，是无损检测中经常遇到的检测对象，上述部件常工作在比较特殊或恶劣的环境中，经过一定时间的运行后，可能出现锈蚀腐蚀裂纹破损等缺陷，如果不能及时地将缺陷检测出来，可能导致严重的后果，带来巨大的经济损失和人员伤亡在军事装备中，为确保装备安全可靠高效的运行，以及正常的使用，对裂痕裂缝破损腐蚀和锈蚀等缺陷进行定期检测是非常必要的目前，最常用的无损检测方法有五种:磁粉液体渗透射线超声波和涡流，其各自的特点如下
(1)磁粉检测(Magnetic Particle Testing，MT)磁粉检测是基于构件缺陷处漏磁场与磁粉的相互作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法
主要特点:显示直观，检测灵敏度高，可检测开度小至微米级的裂纹
局限性:只能检测铁磁材料表面和近表面缺陷;不适于非铁磁性材料检测;另外，需清洁被检测构件表面，效率较低
(2)液体渗透检测(Liquid Penetration Testing，PT)液体渗透检测是基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷的无损检测方法，主要有荧光渗透检测和着色检测，适用于铁磁性和非铁磁性材料表面裂纹折叠疏松等缺陷的检测
主要特点:显示直观，操作简单，灵敏度很高，可检出开度小至微米级的裂纹
局限性:只能检出表面开口的缺陷，对表面粗糙和孔隙较多的构件难以识别，需清洁构件表面
(3)射线检测(Radiographic Testing，RT)射线检测是基于被检测件对透入射线的不同吸收来检测零部件内部缺陷的无损检测方法
主要特点:适用于体积型缺陷，如气孔疏松夹杂等
局限性:对裂纹类缺陷的检测有方向性要求，被检裂纹走向与射线照射方向夹角不宜超过 10°，否则很难检出裂纹;对三维结构二维成像易造成缺陷重叠，无法分辨;射线的辐射生物效应可对人体造成损伤，必须采取严格的防护措施
(4)超声波检测(Ultrasonic Testing，UT)超声波检测是利用超声波(常用频率为0.5~25MHz)在介质(工件)中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法
主要显示方法有三种:显示缺陷深度和缺陷反射信号幅度的A型显示(A扫描);显示缺陷深度及其在截面分布状态的B型显示(B扫描);显示缺陷在平面视图上分布的C型显示(C扫描)
主要优点:适用于多种材料与工件的检测，检测钢件厚度可达几米，对裂纹类缺陷比较敏感，能对缺陷进行定位
局限性:常用的脉冲反射仪存在盲区，表面与近表面缺陷难以检测，对检测人员要求高;需要清洁表面和耦合剂;接触式点到点检测，效率低
(5)涡流检测(Eddy Current Testing，ET)涡流检测是以电磁感应原理为基础的一种无损检测方法当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于激励线圈磁场的作用，试件中会产生涡流，而涡流的大小相位及流动形式受试件导电性能的影响;同时，产生的涡流也会形成一个磁场，这个磁场反过来又会使检测线圈的阻抗发生变化，因此通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以判断出被测试件的性能及有无缺陷等
主要特点:对工件表面或近表面缺陷有较高的检出灵敏度;不需要耦合剂，可对管棒线内孔等实现高速高效探伤;适用于高温条件下的检测，能对矩形三角形带形等异形薄壁管等进行探伤;能测量金属覆盖层或金属材料上非金属涂层的厚度
局限性:只能对金属材料进行检测，对试件边缘部分检测无效;点到点检测，效率低
可见，上述各种无损检测技术均有各自的特点和适用范围随着科技的发展与社会的进步，传统的无损检测技术已不能满足一些行业或构件检测的需要这导致人们不断改进已有的无损检测技术，并研究和开发新的无损检测技术，以满足国内外检测市场不断增长的需求
1.2 超声导波无损检测新技术
针对常规无损检测方法的局限性和现代检测行业的需求，近年来发展了一种能够实现快速长距离大范围检测的新技术——超声导波无损检测技术导波(Guided Wave)定义为沿着构件表面或沿着杆管绳或板等结构而导向传播的机械波(弹性波)导波与常规超声波的最大区别是导波在传播时存在频散(Dispersion)特性，即导波的传播速度随着频率构件几何边界形状的变化而变化，导波传播在构件不连续处会发生模式转换或产生多模式另外，导波所用的检测频率比常规超声波的低，通常所用频率不超过500kHz，而常规超声波所用的频率超过500kHz，通常可达几兆赫兹或几十兆赫兹导波检测原理包括两部分，一是在构件中激励或产生导波，二是在构件中检测或接收导波当激励的导波在构件中传播时，遇到构件中不连续处或有缺陷的地方，会出现异常反射信号，通过捕捉反射信号并进行分析，即可判断出构件中是否存在缺陷
使用导波对管道进行检测的方法为在管道中发射超声导波并对脉冲回波进行检测通过对脉冲回波进行分析，可以确定管道中缺陷的位置并测算出缺陷的尺寸大小，如图1.1所示
图1.1 导波无损检测与常规无损检测的比较
与传统无损检测技术相比，导波无损检测技术具有以下优势
(1)可以实现非接触检测
(2)可以大范围长距离快速检测，检测效率高
(3)适用于不可到达地方的构件检测，如埋地管道，穿过墙公路等的管道
(4)无需剥除构件表面包覆层，即可对构件进行检测，如包覆层管道的无损检测
(5)无需耦合剂，传感器提离高度可达几十毫米
(6)除可对整个管道长度缺陷快速检测，还可对管道截面积的缺陷进行检测，即可实现管道的体积检测
(7)能够实现在线检测，对构件的健康状况实时监控
(8)整个检测过程成本低，无需准备辅助设备或材料等
因此，近些年来，导波无损检测技术受到国内外无损检测界的极大关注，成为研究的热点技术之一
根据传感器类型的不同，超声导波技术可细分为接触式检测方法(如压电式)和非接触式检测方法(如静电传感器技术空气耦合超声传感器方法电磁超声传感器(EMAT)方法激光超声方法光全息摄影或干涉技术磁致伸缩传感器方法等)下面对目前比较流行的几种导波无损检测方法进行简述
1.2.1 基于压电效应的超声导波
对于某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上会产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复为不带电状态，这种现象称为压电效应相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件压电材料的压电方程可表述为
式中， 为应力， 为电场强度， 为应变， 为电位移式(1.1)描述的是逆压电效应，而式(1.2)描述的是正压电效应
压电陶瓷是压电多晶体材料，由于其具有较高的机电耦合系数和压电应变常数，以及较好的时间和温度稳定性，所以成为制作压电式导波传感器的常用材料在使用中，将长度伸缩型压电陶瓷片制作成长条状，布置在被测管道的外表面，呈圆周向阵列分布在压电陶瓷上下表面镀以银电极，给压电陶瓷的上下表面施加电压，压电陶瓷会由于逆压电效应在其长度方向(即管道轴向方向)产生变形，通过耦合作用给管道施加相应的作用力，进而在管道中激励出导波[1]压电陶瓷工作原理及压电传感器布置示意图如图1.2和图1.3所示
图1.2 压电陶瓷工作原理
图1.3 压电传感器布置
由于使用方便价廉灵敏度高以及技术完善，压电式传感器在管道导波检测中应用较广泛然而，耦合剂的使用使压电超声导波检测技术的应用受到了一些限制首先，要求被检工件的表面比较光洁，因为粗糙的表面不宜于耦合剂的渗润;其次，耦合剂要均匀，油脂中的杂质水中的气泡都会对声波的耦合造成影响;最后，在高温状态下，耦合介质会迅速气化，使耦合条件遭到破坏;另外，当压电探头与工件发生快速相对移动时，容易造成耦合介质中气泡的产生和来不及渗润的情况因而压电式超声导波不适于高温高速表面粗糙工件的检测
1.2.2 基于磁致伸缩效应的超声导波
磁致伸缩效应是铁磁性材料的固有特性，利用这一特性研制的磁致伸缩传感器可以在管道中激励和检测弹性导波磁致伸缩效应，是指铁磁性材料受磁场作用时，它的尺寸大小形状会发生微小变化的效应根据磁致伸缩效应及其逆效应，可以使用传感器在管道中激励出超声导波并对其回波进行测量
图1.4为典型的磁致伸缩导波传感器示意图传感器由激励线圈接收线圈和磁化线圈组成，通过在激励线圈中通以交变电流，即可在被测构件中产生交变磁场，同时，在偏置磁场的作用下，磁致伸缩效应产生导波该类型的传感器超声转化效率高，当检测对象为铁磁性构件时，构件本身即换能器的一部分传感器装置简单，操作容易，无需与被测构件紧密接触，适合对铁磁性构件进行检测当检测对象为非铁磁性物体时，需要在检测对象表面粘贴一种具有磁致伸缩特性的合金材料(如铁钴镍合金等)，类似于耦合剂的作用，同样适合对非铁磁性构件进行检测常见的管道为铁磁性和非铁磁性管道，而且管道表面常有油污脏物隔热层或包覆层，在这种情况下，基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术具有非常大的优势
图1.4 磁致伸缩导波传感器示意图
1.2.3 空气耦合超声导波
目前，最常用的空气耦合传感器是基于压电效应或静电效应设计[2-4]的，压电空气耦合传感器通常使用压电陶瓷元件，其主要问题是由于声阻抗不匹配，导致发射和接收声波效率很低为了减少能量损失，通常使用匹配层材料(然而理想的声阻抗匹配材料很难找到)，或是通过改进传感器所用压电材料自身的机械和电气性能以提高发射和接收声波的效率另一种空气耦合传感器是用电容(或静电)设计的，它比压电型传感器的频率带宽要宽，能量相对比较容易耦合到被测物体中，在电容传感器里面通常安装有固体支撑板，并用聚合物薄膜拉伸，此结构能较好地改进声阻抗不匹配的问题空气耦合超声无损检测系统示意图如图1.5所示
空气耦合超声波传感器的主要优点是使用空气耦合介质可以避免弄脏被检测物体，无需液体耦合剂即可实现快速扫描其主要局限性在于灵敏度较低，这主要是因为固体-空气交界面的声阻抗不匹配，有五个数量级的差别[5]，在界面上有极大的能量损耗，因此高频空气超声换能器不仅要求发射功率大，且必须有良好的电气与声匹配性能另外，当频率高于500kHz时，超声波在空气中衰减极快
图1.5 空气耦合超声无损检测系统示意图
1.2.4 电磁超声导波
电磁超声传感器是一种新型的超声发射接收装置由于电磁超声产生和接收过程中，具有换能器与媒质表面非接触无需加入声耦合剂重复性好检测速度高等优点而受到广大无损检测与评估工作者的关注[6-9]电磁超声检测激发超声波的机理与压电超声完全不同电磁超声传感器方法是基于涡流和磁场的交互作用，利用电磁超声探头产生和接收超声导波它是将高频电流通入靠近被检金属表面的发射线圈中，在金属表面的趋肤层内感应出相同频率的涡流，同时在金属表面施加一个磁场，金属中的涡流在磁场的作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即洛伦兹力洛伦兹力带动金属材料晶格的振动，并在工件内传播形成声波，其结构原理图如图1.6所示由此可见，电磁超声波是通过电磁感应直接在金属材料中产生的，不需要使用耦合介质由于电磁超声传感器方法不使用耦合介质，所以它可以应用于高温
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