超聲無損檢測應用現狀及發展前景
發布時間：2021/11/04
無損檢測技術是產品質量控制中不可缺少的基礎技術。隨著產品復雜程度的增加和對安全性保證的嚴格要求，無損檢測技術在產品質量控制中發揮著越來越重要的作用，已成為保證軍工產品質量的有力手段。
常規的無損檢測方法主要有超聲檢測(UT)、射線檢驗(RT)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)和渦流檢測(ET)等。
超聲檢測技術概況
作為無損檢測技術中重要的一種，超聲檢測是利用超聲波對金屬構件內部缺陷進行檢查。超聲波在構件內部傳播時遇到不同界面將有不同的反射信號(回波)，利用不同反射信號傳遞到探頭的時間差，可以對試件進行宏觀缺陷檢測。利用超聲波進行材料厚度的測量也是常規超聲檢測的一個重要方面。此外，作為超聲檢測技術的特殊應用，超聲波還用于材料內部組織和特性的表征以及應力的測量。
超聲檢測作為結構內部無損檢測的重要方法，主要優點如下：
①適用于金屬、非金屬、復合材料等多種材料制件的無損評價;
②穿透能力強，可對較大厚度范圍的試件內部缺陷進行檢測，可進行整個試件體積的掃查。如對金屬材料，可檢測厚度1～2mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件;
③靈敏度高，可檢測材料內部尺寸很小的缺陷;
④可較準確地測定缺陷的深度位置，這在許多情況下是十分必要的;
⑤對大多數超聲技術的應用來說，僅需從一側接近試件;
⑥設備輕便,對人體及環境無害,可作現場檢測。
任何科學技術都是一把雙刃劍，超聲檢測也不例外。盡管超聲無損檢測技術廣泛應用于各行各業中，但是在應用中也存在一些問題：
①由于縱波脈沖反射法存在的盲區，和缺陷取向對檢測靈敏度的影響，對位于表面和非常近表面的某些缺陷常常難于檢測;
②試件形狀的復雜性，如小尺寸、不規則形狀、粗糙表面、小曲率半徑等，對超聲檢測的可實施性有較大影響;
③材料的某些內部結構，如晶粒度、相組成、非均勻性、非致密性等，會使缺陷檢測的靈敏度和信噪比變差：
④對材料及制件中的缺陷作定性、定量表征，常常是不準確的，需要檢驗者豐富的經驗;
⑤以常用的壓電換能器為聲源時，為使超聲波有效地進入試件，一般需要有耦合劑。
超聲檢測技術行業標準
目前國內有關的超聲檢測標準為JB/T4730.3，GB/T11345-1989，CB/T3559-2011等，JB/T4730.3為一個比較綜合性的標準，而后面兩個標準為焊縫檢測標準。
此外還有關于超聲檢測殘余應力的一些標準，如GB/T 32073-2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》、Q/SY 05009—2016《油氣管道焊縫應力超聲檢測技術規范》和T/CMCA 4007-2019《鋼結構殘余應力超聲檢測技術規程》等規范，使用者可根據需要進行相應的查詢。
超聲檢測發展簡史
利用超聲波來進行無損檢測始于20世紀30年代。1929年，前蘇聯Sokolov首先提出了用超聲波探查金屬物體內部缺陷的建議。幾年以后，在1935年，他又發表了用穿透法進行試驗的一些結果，并申請了關于材料中缺陷檢測的專利。
根據Sokolov的試驗裝置的原理制成的第一種穿透法檢測儀器，是在第二次大戰后出現在市場上的。由于這種設備是利用穿過物體的透射聲能進行檢測，因此需要把發射和接收換能器置于試件相對兩側并始終保持其對應關系，同時，對缺陷檢測靈敏度也較低，使其應用范圍受到極大的限制。不久，這種儀器就被淘汰了。
超聲檢測技術得以廣泛應用，應歸功于脈沖回波式超聲檢測儀的出現。20世紀40年代，美國的Firestone首次介紹了脈沖回波式超聲檢測儀，并申請了該儀器的專利。利用該技術，超聲波可從物體的一面發射并接收，且能夠檢測小缺陷，較準確地確定其位置及深度，評定其尺寸。
隨后，由美國和英國開發出了A型脈沖回波式超聲檢測儀，并逐步用于鍛鋼和厚鋼板的探傷。
20世紀60年代，超聲檢測儀在靈敏度、分辨力和放大器線性等主要性能上取得了突破性進展，焊縫探傷問題得到了很好的解決。脈沖回波技術至今仍是通用性最好、使用最廣泛的一種超聲檢測技術。在此基礎上，超聲檢測發展為一個有效而可靠的無損檢測手段，并得到了廣泛的工業應用。
隨著工業生產對檢測效率和檢測可靠性要求的不斷提高，人們要求超聲檢測更加快速，缺陷的顯示更加直觀，對缺陷的描述更加準確。因此，原有的以A型顯示手工操作為主的檢測方式不再能夠滿足要求。
20世紀80年代以來，對于規則的板、棒類等大批量生產的產品，逐漸發展了自動檢測系統，配備了自動報警、記錄等裝置，發展了B型顯示和C型顯示。與此同時，對缺陷的定性定量評價的研究得到了較大的進展，利用聲波技術進行材料特性評價也成為了重要的研究方向。
隨著電子技術和計算機技術的發展，超聲檢測設備不斷向小型化、智能化方向改進形成了適應不同用途的多種超聲檢測儀器，并于20世紀80年代末出現了數字式超聲器。目前，數字式儀器已日益成熟，正逐漸取代模擬式儀器成為主流產品。
超聲無損檢測應用現狀
中國工業超聲檢測近幾十年來發展迅速，幾乎涵蓋了所有的工業領域，如鋼鐵工業、機械制造業、鍋爐壓力容器、石油化工、鐵路運輸、造船、航空航天、電力核電等。目前超聲檢測大量應用于金屬材料和構件，近年來對于新興的復合材料的應用也越來越廣泛。
理論研究方面，我國也在逐漸縮小與國際先進技術的差距，很多超聲數字信號處理包括人工智能、神經網絡、模式識別、多種掃描成像等技術已達到或接近國際先進水平，為我國超聲無損檢測技術的持續發展提供了保證。
設備研發方面，超聲檢測設備中，國內幾家為首的公司已經研發出最先進的全聚焦技術，并正在與實際的工程應用相結合，逐漸梳理出一套可執行的標準或規范出來，推進新技術的應用。
超聲檢測行業也漸漸有與大數據融合的趨勢。目前，一些重點的石油石化企業已經開始構建系統的大數據管理，超聲檢測作為質量檢測的重要一環，也被納入到大數據系統中，對管道及設備的監管也趨于系統化、深入化。
超聲無損檢測發展前景
超聲檢測是發展最為迅速的無損檢測方法之一，未來的發展前景廣闊。筆者認為未來超聲檢測的發展包括但不限于以下幾個方面：
1、比肩醫學超聲的發展
醫學超聲一直引領著超聲檢測技術的發展，工業相控陣技術來源于醫學的B超。由于醫學超聲研究對象為單一的人體，在很多技術和手段上更容易實現;而工業超聲檢測面對對象的材料眾多、形狀各異，在一定程度上阻礙了工業超聲的飛速發展。醫學超聲目前推出了4D多維彩超等技術，設備的通道數遠遠多于市面上常見的工業超聲設備，這些都是工業超聲需要學習和借鑒的地方。
2、自動化
工業超聲檢測技術目前很大一部分都是人工操作，檢測效率低，數據記錄不完善、不規范。隨著國家標準化工作的逐步完善，對檢測的要求越來越高;而隨著工業4.0、大數據等技術地不斷推廣，現階段手工檢測已經逐步被一些自動化設備替代。當然自動化的發展不是一蹴而就的事情，需要在實踐中不斷摸索、循序漸進。
3、智能化
目前在一些橋梁的建設中，所用部件都有二維碼標志，記錄了該部件的原材料廠商、檢測單位、施工單位等信息，可謂是智能部件的一個縮影。目前，智慧電網、智能管道工程等也由概念走向了實際應用，超聲無損檢測本來作為智能化潮流中不可或缺的一部分，即將為部件的壽命評估、動態檢測等提供更為精準的數據支持。
4、專用化
超聲檢測面對的檢測對象千差萬別，不同行業的檢測標準差別很大，通用化的解決方案無法更精準地解決檢測難題。為了更好地適應未來自動化、智能化檢測，超聲設備或解決方案的專用化必不可少。行業量身定制的專用化、定制化的解決方案，勢必是未來的發展趨勢。
