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焊缝无损检测技术概述
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:12/22/2006 阅读:20778

 

 

焊缝无损检测技术概述

 

 

1 焊缝无损检测的技术指标

1)检测目的

无损检测的目的是检出焊缝中的危险性缺陷,它可以分为以下四个步聚:

1) 利用各种类型的传感器提取表面或内部的缺陷信号,这是各种焊缝无损检测技术的基础。

2) 通过缺陷位置、尺寸与形状的测量,可以辨认缺陷的性质,以判定缺陷的严重性。

3) 对传感器坐标进行精确测量,结合缺陷信号的强度与分布特征,利用计算机在二维平面上或三维空间中重建缺陷的形貌与分布,形成缺陷的影像或图像。

4) 确定工件中的缺陷是否可以允许存在。例如,按照质量控制标准或者合于使用标准对缺陷进行具体的判定。

2)检测的有效性

可通过有效性评定来认定焊缝无损检测技术是否有效,具体可概括成以下五点:

1) 检测灵敏度  缺陷发现率与检测灵敏度的高低有直接关系。过去20年来这一基础技术领域的研究取得了很大进展。就目前的无损检测技术水平来说,可检出的宏观缺陷与材料损伤见表1

衡量检测灵敏度的指标是不同缺陷尺寸的检出能力。图1~图4分别给出了射线检测、渗透检测、超声检测与涡流检测等方法对裂纹的检出率。这是在328个铝合金疲劳裂纹试样上测定的。可以看出,除射线检测偏低外,其它检测方法都有较高的裂纹检出率。

 

1  现代无损检测技术可检出的宏观缺陷与材料损伤

     

现代无损检测技术可检出

腐蚀区

氢损伤

各类气孔与空洞

夹杂与夹渣

残余应力

表面裂纹

深埋裂纹

塑性损伤

密集裂纹

待开发的检测技术应检出

粘接不佳

金属高温蠕变

粘接强度损失

强度损失

韧性损失

 

在钢焊缝上对上述结论作了进一步证实,如图5所示。图中表示出36mm厚,Ni质量分数为9%的钢奥氏体焊缝热影响区(铁素体)射线检测与超声检测裂纹检出率的统计结果。由此可见,超声检测对裂纹的检出灵敏度比射线检测高很多。

2) 尺寸测量误差  对已发现的缺陷进行尺寸定量测量则需要控制测量误差。目前衍射超声波技术(TOFD)测量缺陷高度的误差已控制在1mm之内;而交流电位差法(ACPD)与交流电磁场测量技术(ACFM)对表面裂纹深度的工程测量误差也能达到±0.5mm的精度。特别值得强度的是上述三种方法都不必事先采用试块进行校准或与人工缺陷进行对比,就能达到测量裂纹的绝对尺寸。

3)检测速度  焊缝的检测速度取决于缺陷信号的提取、辨认和评定速度。目前,典型焊接结构的无损检测速度见表2

2  典型焊接结构的无损检测速度

10mm板厚钢结构腐蚀测量

单位时间检测面积/(m2/h)

25mm板厚对接焊缝

检测速度/(m/h)

单探头超声波C扫描

1

手工超声检测

1

10通道超声波自动扫描

10

全自动超声检测

20

采用漏磁通检测

200

外表面磁粉检测或渗透检测

5

采用磁排斥法检测输送管道

10000

外表面多线圈阵列涡流检测

50

从表2中可以看出采用新技术的优势,由于超声测腐蚀是基于测厚的原理,那么采用漏磁法测腐蚀就比逐点超声测厚方式要快得多。同样,新开发的涡流表面检测技术也是较快的检测方法。另外采用原有的检测技术,增多探头数量与通道也可以提高检测速度。

4) 检测覆盖率  工件检测表面的覆盖率包括两方面内容:首先是传感器的可达性(即能够达到构件中检测区的扫查面),一般随着检验等级的提高,扫查面也会增多;其次是覆盖完善性(即能够完成全部扫查区的检验操作)。例如复杂的多层容器焊缝、采油平台的节点焊缝、容器接管的空间马鞍形焊缝等都有扫查覆盖的问题。另外,不同的检测方法也存在有检验盲区现象,例如超声检测的上下表面盲区,射线检测机头无法对准等。

5) 检测可靠性  焊缝无损检测的可靠性由缺陷检出率和误判率组成。一般为了提高缺陷检出率都尽可能加大检测系统的灵敏度,但是随之而来的是系统噪声增加,焊缝的组织与几何反应带来伪信号的出现,因此也会造成误判,引起不必要的判废与返修。

3)检验等级

按照焊接结构的材料性能、工作参数、工况条件和失效后果可以把焊接产品划分为不同的类别。例如在锅炉压力容器领域中,把容器划分为3类,3类容器等级最高。在核电系统把核动力装置也划分为3级,1级属于反应堆活性区的部件,其等级最高。海上采油平台的钢结构也分为关键部件、重要部件以及一般部件等。

为了满足不同类别产品的检验要求,按照焊缝的抽查比例、检验过程的完善程度、探测的灵敏度水平等参数把焊缝的无损检测工艺也划分成若干等级。在通用的标准与规范中一般分为3个检验等级。但是,对于各种焊接产品只有通用的检验标准仍然无法满足其检验要求。因此,国内外都有很多的行业标准与专业标准,以适应不同产品的检验要求。

4)检测技术分类(摘要)

先进的无损检测技术与设备是在常规检测方法的基础上发展起来的,常规焊缝无损检测方法的特点及应用见表3。其中渗透检测、磁粉检测、涡流检测与电位差测量等四种方法只适合于表面与近表面缺陷的检测。射线与超声检测方法适合于整体缺陷的检测。从现代自动检测的角度出发,除渗透检测外,通过不同的传感器都可以把缺陷信号转换成电信号,作为自动检测的信息基础。

3  常规焊缝无损检测方法的特点及应用

  

  

  

测量缺陷尺寸

渗透检测

  不要电源,缺陷性质容易辨认中,适于各种金属与陶瓷类工件

  限于检测光洁与清洁工件表面的开口裂纹。渗透操作到显示缺陷约半小时

  检测清洁表面疲劳、应力腐蚀与焊接裂纹

  直接测量裂纹长度

磁粉检测

  可检测表面与次表面缺陷,缺陷性质容易辨认,油漆与电镀面不影响检验灵敏度

  限于检测铁磁材料,要完全接近工件表面,需要检测设备与电源。有剩磁,退磁困难

  检测铁磁材料的裂纹比渗透检测灵敏

  直接测量裂纹长度

射线检测

  检测缺陷位置不限,有永久检测记录。缺陷的解释比较容易

  检测裂纹不灵敏,检测成本高,时间长。需要靠近工件并有幅射危害

  厚度20mm时效果好。可检测多层板结构

  在底片上采用观片灯测量缺陷尺寸

超声检测

  检测厚度与缺陷位置不限,可确定缺陷深度。对裂纹敏感

  要求缺陷与波束垂直,多个工件表面可靠近。检测结果的解释困难

  可用于检测各种材料与缺陷

  脉训反射探伤测量误差大,TOFD可测深度

涡流检测

  可检测各种导电材料表面与近表面缺陷

  参数控制困难。检测结果的解释困难

检测管,焊缝与堆焊层表面裂纹

  间接测量长度

电位差测量

  可测量铁素体、奥氏体钢与铝合金表面裂纹深度

  只限于其它检测方法发现裂纹后,测量表面开口裂纹深度

DC电位差测量厚度≥5mm

AC电位差测量厚度不限

测量裂纹长度与深度

 

2. 焊接结构无损检测技术的进展

70年代末期焊缝的无损检测还仅限于以手工操作方式完成单一性缺陷检验的任务。近年来,随着传感器技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展,现代无损检测技术已进入到以计算机控制为主的信息加工时代。其内容也扩大到缺陷尺寸测量、生产过程监控与材料性能评定等各个领域中。可以预见,未来的检测技术还会出现更新的进步。

1)焊接过程与产品运行过程的监控

迄今焊缝的无损检测多数是在工件焊完后冷却到室温下进行。但是,在焊接过程中对熔池及其附近高温金属的监测比冷态检测更有意义,不但能及时地反馈焊接状态信息,实时地调整焊接参数与稳定焊接过程,还可以减少重型工件因冷态返修造成的质量降低与成本增高现象。

80年代初开始采用高温传感器(例如电磁声探头与微摄像机等)对焊接熔池形成过程、稳定程度与缺陷产生机理等进行观测与分析,经过近20年的研究与开发,已取得一些初步结果,相信不久将会出现焊接过程实时监控的商业产品。

实时监测的另一领域是产品运行状态的监督,通过预置传感器,例如多路光导、声发射探测器、应变与振动传感器等全面观察大型装置或设施的运行状态,特别是对运行过程无法接近的部位实行状态监控已可实现。

2)检测带保温层容器与管道的质量

能源与化工企业为了满足防腐与保温要求,在容器与管道表面上涂装有各种厚度的防腐涂料与保温层。常规的检验技术都要去除保温层才能进行检验,这不但费工也增加了检验成本。因此需要开发可用于带保温层设备的工程检查技术,目前已取得初步结果。例如:

1) 脉冲或低频涡流检测技术  试验证明它可以改进成为非接触式的检测方式,并可检出保温层下金属的腐蚀面积。目前已开发出适合于检测100mm厚保温层下管道腐蚀的技术与设备。

2) 铁磁材料磁伸缩声发射检测技术  试验表明,利用铁磁材料的磁伸缩效应,可以检测带保温层的小管,管壁温度在724以下,一次检测管道长度可达100m,有效地克服了扒开保温层检测的困难。

3) 低频(50500kHz)超声检测  用于检测直径300mm以下管道的腐蚀与裂纹。如果激发起具有波导特性的声波,既能达到长距离传播,它对厚度变化很敏感,又能克服保温层中钢丝网引进的干扰,于是可实现对管道长距离不扒保温层的检测。

4) 钢管与焊缝腐蚀或裂纹的漏磁测量  采取局部管壁磁化与测量漏磁场的原理,可以开发出腐蚀或裂纹测量的检测装置。目前已完成外径330mm、壁厚25mm钢管的试验,并取得了不受保温层影响的较好效果。

3)新型传感器技术

传感器是提取缺陷信号的基础元件,其性能与尺寸影响缺陷信号的强度、信噪比与分辨率。目前,常规检测技术中采用的传感器已不能完全满足新型产品检验的要求。因此,广泛地利用各种物理效应,开发出适合于新型、特殊与高参数产品检测要求的传感器已成为一个重要的技术领域。表4列出了部分传感器的开发结果。

4  新型传感器及其典型应用

  

   

     

磁-光图像

利用磁光效应与介质光偏振相结合

显示磁场异常形成光像

坡莫合金磁控电阻

坡莫合金膜磁致电阻变化测杂散磁场

检测钢材腐蚀坑

磁-声发射

磁场内磁畴运动引起发声

测组织结构有测蠕变的可能

高温超导量子干扰

对磁场变化极为灵敏

管道与采油平台次表面缺陷

除了研制新型传感器外,广泛应用多传感器、阵列传感器与分布式传感器系统来提高检测覆盖率与完善性是传感器技术发展中的另一特点。在阵列传感器或相控阵传感器中,元件多达数十至数百个,而在分布式传感器系统中则多达近千个。利用现代电子技术进行通道切换,采用计算机控制技术进行时序控制以及应用并行计算机完成数据采集、压缩与处理,于是可组成全新的并行处理检测系统的体系结构。它能完成对各传感元件激活时间的调节或接收信号相位(或时间)的移动,以达到对检测物理场的筛选与限制,从而可满足各种复杂与困难工件的检验要求。

4)检测方法兼容

通常传感器都是把焊缝中缺陷转化成一定格式的电信号,其后处理过程往往包括信号放大、模数转换(A/D)、缺陷形貌复原与显示等。因此,可以把不同传感器取得的缺陷信号进行标准化前置处理,最后送入同一的后处理系统。这样只需在软件上调整超声与电磁测量数据结构的差异,于是可采用一台仪器兼容各种传感器。例如近来出现的兼有超声检测、测厚与涡流检测等多种功能仪器。未来随着模块化进程的加快,组合式多功能兼容的设备将很快地出现。

5)焊接检测机器人

在核能、石油化工与海洋开发工业中很多环境对人体是有害的,单用手工检测不但满足不了检验周期与质量的要求,还会对检测人员造成这样或那样的伤害。因此人们把研究与开发的目光转向自动检测领域。

70年代初,遥控自动扫查器已出现在超声与涡流检测技术中。80年代中期,工程上应用的远程通信操作机较好地解决了核容器与管道的在役检查。进入90年代,各种智能检测机器人的不断涌现,形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如,日本东京煤气公司研制的蜘蛛形机器人,采用真空吸盘吸附,能在球罐运行状态下对其焊缝进行检测。该机器人重约140kg,直径0.8m,高0.7m,移动速度约60m/h,采用16个超声探头进行焊缝检测并具有寻找球壳板上任意点坐标位置的功能。这种机器人的出现使球罐的检测摆脱了搭脚手架的传统要求。日本NKK公司研制了一种测量输油管道腐蚀情况的机器人。该机器人在管道内部借助于液体流动的推力前进,利用测量超声脉冲反射时间计算腐蚀深度,精度小于1mm。由于没有电缆,因此可检测各区段油管的内外壁腐蚀情况。丹麦Force研究所研制了一系列轻便爬壁机器人,该机器人仅10kg重,采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体焊缝。目前检测机器人的研究与开发主要集中在以下几个方面:

·机器人在非结构环境下的移动技术,如磁吸附或真空吸附状态下的爬行与借助油气压差的推力前进等,机器人运动的稳定性、拐弯半径大小与灵活性。

·自动扫查操作,如扫查臂可完成方形扫查、光栅扫查、探头上下浮动与左右摆动等以及携带的探头数量。

·自动定位与跟踪焊缝,包括克服因焊缝形状变化产生的探头偏离与碰撞问题,同时能自动记录探头位置与缺陷信号位置。

·大型设备检验数据的压缩与存储技术,因为检测时需要逐点记录探头位置(密度2mm)与缺陷信号波形(采样频率≥50MHz),在厚焊缝或长距离检测时会导致数据量过大,若不进行压缩可能使数据丢失或无法检测。

·信号的识别与缺陷的自动评定等。

检测机器人的出现为大型设备、窄小空间或恶劣环境下的检测带来了福音,也为机械设计、电子技术、自动化技术与计算机技术提供了新的应用领域与研究课题。

6)缺陷的自动识别与计算机模拟技术

缺陷自动识别的基础是提取缺陷信号的特征(如信号幅度、动态变化的陡峭度、分布率与起浮程度等)。目前已把缺陷划分成粗糙表面裂纹、光滑表面裂纹、夹渣与气孔等四类。自动分类与识别的方法较多,如基于知识的分类法,基于目标识别的分类法及基于神经元网络的分类法等。基于知识的分类法是根据专家的知识建立一系列的规则与关系,并根据这些规则与关系对缺陷信号进行分类。基于目标识别的分类方法是利用计算机来模拟人的识别能力,首先由计算机获取缺陷信号,并对信号进行预处理,即去除噪声,增强有用信息,然后对信号进行特征提取与判别,以确定缺陷属于哪一类。基于神经无网络的分类方法类似于目标识别分类法,通常使用BP网络或Hopfield网络,且用几十种A扫描信号图形作为样本去训练网络的权限。由于神经元网络具有并行运算的特点,故经过训练的网络能迅速对缺陷进行分类。目前上述分类方法已在缺陷自动识别与评定系统中得到了应用。

过去提取缺陷信号多数是先制造焊接试件并预埋各种人工与自然缺陷,然后对其进行检测以获得缺陷信号的特征。这不但成本高而且无法得到焊缝中的自动缺陷,如各类裂纹等。采用计算机模拟或仿真技术可以不通过制造试件而获得各种缺陷信号,因此是当前无损检测技术中研究的热点之一。它是利用计算机软件方法模拟检测过程,对检测系统的结构与缺陷参数建立准确的数理模型并进行数字模拟,通过软件方法既可以观察缺陷信号也可以优化传感器的设计参数。因此,它给焊缝无损检测技术开辟了一个新的研究方法与领域。

 
 
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