陳金忠 沈功田 鄭 陽 俞 躍 武新軍 陳振茂

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.華中科技大學 武漢 430074）

（3.西安交通大學 西安 710049）

為適應國家現(xiàn)代化可持續(xù)經(jīng)濟型社會發(fā)展的需求，當前的工業(yè)設備向著極端化、精密化、輕量化等方向不斷發(fā)展。與此同時，設備結(jié)構(gòu)形式和損傷模式也逐漸多樣化，給產(chǎn)品、設備的檢測評估提出了新的技術(shù)要求。目前數(shù)量眾多的在用工業(yè)設備服役期間安全評定中需要全面的檢測數(shù)據(jù)進行支撐，提升材料損傷狀態(tài)的無損檢測與評估技術(shù)水平已成為保障工業(yè)設備長期穩(wěn)定運行的瓶頸。電磁無損檢測技術(shù)具有快速、非接觸等優(yōu)勢，不僅可以應用于常規(guī)導電金屬材料的損傷檢測，對于特殊工業(yè)環(huán)境下的產(chǎn)品、裝備檢測也具有特殊的優(yōu)勢，例如帶有包覆層的非鐵磁性工業(yè)設備、雙金屬復合材料等。紅外和太赫茲檢測技術(shù)同樣具有非接觸、直觀、安全等優(yōu)勢，廣泛應用于非金屬材料損傷檢測，成為現(xiàn)有電磁檢測技術(shù)的有效補充[1]。就電磁無損檢測技術(shù)以及紅外與太赫茲檢測技術(shù)而言，針對技術(shù)發(fā)展及工程檢測中的需求，主要存在以下問題：

目前在脈沖渦流檢測理論和方法相對成熟，但基于該技術(shù)理論下的帶包覆層非鐵磁性工業(yè)設備的檢測技術(shù)研究有待開展。針對脈沖渦流頻帶寬、衰減快、動態(tài)范圍大的特點，高精度、高速度數(shù)據(jù)采集等難題仍需攻克。

微磁信號在非均勻磁導率和存在應力集中材料中的特征識別和提取技術(shù)有待深入研究?；谖⒋艡z測技術(shù)的非鐵磁性材料腐蝕檢測、評價和分級方法理論也亟須補充。

隨著工業(yè)設備的復雜化、極端化，損傷形式同樣向著多樣化和不可預測化方向發(fā)展。因此，對于磁疇結(jié)構(gòu)在磁、熱、應力、疲勞等多物理和材料變化下，鐵磁性材料應力和疲勞狀態(tài)的評價技術(shù)以及對于磁疇動態(tài)行為的影響規(guī)律仍有待研究。

單一檢測技術(shù)針對不同材料損傷各自具有一定的局限性，發(fā)展多種技術(shù)結(jié)合的損傷表征方法是無損檢測的發(fā)展趨勢。

對于紅外熱成像檢測技術(shù)，仍存在大功率面激勵光源、大電流調(diào)制、激勵非均勻矯正等技術(shù)難點。在太赫茲檢測方面，存在高頻太赫茲波的大功率輸出不穩(wěn)定問題，檢測分辨率也需進一步提高。

針對上述情況，在中國特種設備檢測研究院牽頭下，20家產(chǎn)學研用單位共同申報了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎的共性技術(shù)研究與應用（NQI）”專項項目“材料損傷電磁無損檢測與評估關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研制”，研究發(fā)展非鐵磁性材料脈沖渦流和微磁檢測技術(shù)、鐵磁性材料損傷多磁參數(shù)檢測技術(shù)、金屬材料電磁檢測技術(shù)、非金屬材料紅外與太赫茲檢測技術(shù)，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，適應工程檢測的發(fā)展需求。

1 國內(nèi)外研究概況

非鐵磁性金屬材料檢測方面：美國GE、英國QinetiQ等的脈沖渦流檢測儀器主要用于核電和航空行業(yè)非鐵磁金屬材料檢測；荷蘭RTD和加拿大Eddyfi的脈沖渦流檢測儀主要用于帶包覆層鐵磁性工業(yè)設備檢測，本項目團隊已研發(fā)脈沖渦流檢測儀，開展了工程應用，主導編制了國際和國家標準。脈沖渦流在非鐵磁性與鐵磁性材料的傳播特性不同，檢測帶包覆層鐵磁性或小提離非鐵磁性設備的技術(shù)不能直接用于帶包覆層大提離非鐵磁性工業(yè)設備檢測[2]。

鐵磁性金屬材料檢測方面：材料磁特性參數(shù)檢測技術(shù)發(fā)展迅速。國外芬蘭Stresstech開發(fā)了用于齒輪、曲軸加工中殘余應力檢測的磁巴克豪森檢測儀器，德國IZFP開發(fā)了用于汽車、核電設施等材料屈服點、硬度、滲碳層深度檢測的多磁參數(shù)檢測儀器。然而在應力分布、疲勞狀態(tài)等復雜損傷檢測方面，現(xiàn)有技術(shù)尚需進一步發(fā)展。國內(nèi)在此方面研究較少，無成熟儀器，也缺乏相關(guān)標準[3]。

金屬材料電磁無損檢測數(shù)值模擬方面：電磁無損檢測已有法國CEA開發(fā)的CIVA無損檢測數(shù)值模擬軟件及一些專用數(shù)值模擬程序。但CIVA僅有二維渦流檢測數(shù)值模擬功能，現(xiàn)有專用數(shù)值模擬程序缺乏集成和前后處理功能；另外，基于高效正問題數(shù)值模擬、反問題缺陷定量反演的研究取得了長足進展。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、反映國際最新研究成果的正反問題一體化電磁無損檢測數(shù)值模擬軟件，對指導檢測探頭和儀器研制、檢測工藝開發(fā)及缺陷定量反演具有重要意義。

非金屬材料檢測方面：已有閃光燈、激光、振動等激勵的紅外熱成像檢測儀器，尚未在工業(yè)設備中廣泛應用，尤其是對大壁厚低導熱材料的反射式檢測很難實現(xiàn)，且在大功率非瞬態(tài)面加熱源的激勵均勻化、檢測結(jié)果歸一化和損傷評估方面仍面臨挑戰(zhàn)；同時缺乏紅外無損檢測的專用儀器標準。太赫茲成像檢測目前廣泛應用于安檢、生物檢測等領域，但針對工業(yè)設備無損檢測缺少典型材料太赫茲波響應數(shù)據(jù)庫，德國SynView的檢測設備存在檢測速度慢、便攜化程度不高等問題，尚缺乏針對工業(yè)設備成熟的太赫茲無損檢測儀器。

2 項目目標及總體研究方案

2.1 項目目標

項目針對材料損傷電磁無損檢測中幾類迫切需要解決的問題，重點攻克非鐵磁性金屬材料損傷電磁檢測信號獲取技術(shù)、鐵磁性金屬材料應力與疲勞評估多種磁信號特征參數(shù)融合分析技術(shù)、典型電磁無損檢測方法正反問題一體化數(shù)值模擬技術(shù)、非金屬材料損傷紅外大功率均勻激勵技術(shù)與太赫茲反演等關(guān)鍵技術(shù)，開展材料損傷電磁無損檢測與評估關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研制，實現(xiàn)材料宏微觀缺陷和服役狀態(tài)的快速檢測與評估，進一步完善電磁無損檢測技術(shù)對工業(yè)設備的質(zhì)量控制要求。

2.2 總體研究方案

本項目根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)，設置四個課題：

課題一：針對非鐵磁性材料損傷，基于脈沖渦流與微磁檢測關(guān)鍵技術(shù)，從檢測機理、檢測信號獲取、檢測工藝開發(fā)等方面開展深入研究。研制開發(fā)適應不同信號特性的脈沖渦流檢測儀和微磁檢測儀。

課題二：針對鐵磁性材料損傷多磁參數(shù)檢測關(guān)鍵技術(shù)，從鐵磁性材料應力和疲勞檢測機理以及檢測工藝方面開展研究，分別研制磁巴克豪森應力檢測儀、多磁參數(shù)檢測儀并進行儀器性能測試與評價。

課題三：針對金屬材料電磁檢測及仿真關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)電磁無損檢測仿真軟件。針對金屬體積缺陷低頻電磁檢測關(guān)鍵技術(shù)及儀器研制問題，研制高靈敏度低頻電磁陣列傳感器，開發(fā)低頻電磁陣列三維成像及缺陷重構(gòu)方法。針對金屬材料磨損電磁檢測方面，設計和制作電磁感應型高可靠性油液磨屑在線監(jiān)測傳感檢測系統(tǒng)；搭建重大機械裝備電磁無損檢測評估技術(shù)平臺。

課題四：針對非金屬材料紅外與太赫茲檢測關(guān)鍵技術(shù)，分別從非金屬材料粘接質(zhì)量紅外檢測定量評估方面、非金屬材料大功率長時激勵的紅外熱成像檢測系統(tǒng)研制方面、非金屬材料基于半導體激光器和光學混頻技術(shù)的便攜太赫茲成像檢測系統(tǒng)研制方面、非金屬材料無損檢測用紅外熱像儀設備和太赫茲檢測儀標定方面進行了研究。

通過以上四個課題的實施，最終為材料損傷檢測提供有效的電磁、紅外以及太赫茲檢測方法和儀器。

圖1 項目課題的設置及邏輯關(guān)系

圖1為項目總體研究及課題分解方案。可以看出，各課題之間既相互獨立，具有特定定位和功能，但又共同支撐材料損傷的檢測，形成一個完整的體系。

3 項目預期主要研究成果

項目預期成果包括設備類、平臺類、方法類、軟件類等多種形式如下：

1）設備類成果：通過系統(tǒng)設計、試制樣機、開發(fā)系統(tǒng)、現(xiàn)場試驗、完善系統(tǒng)等過程，完成脈沖渦流檢測儀、微磁檢測儀、磁巴克豪森應力檢測儀、多磁參數(shù)檢測儀、低頻電磁檢測儀、電磁感應型高可靠性油液磨屑在線監(jiān)測傳感檢測系統(tǒng)、紅外熱成像檢測系統(tǒng)、便攜太赫茲成像檢測系統(tǒng)等設備的研發(fā)。

2）平臺類成果：通過搭建重大機械裝備電磁無損檢測評估技術(shù)平臺，開展裝備基于電磁磨損檢測的無損檢測與評估云服務技術(shù)平臺理論、技術(shù)和應用研究。

3）方法類成果：在大提離下非鐵磁材料脈沖渦流檢測信號增強方法、微弱信號識別方法、鐵磁性材料應力與疲勞狀態(tài)檢測方法、低頻電磁陣列三維成像及缺陷重構(gòu)方法、金屬構(gòu)件缺陷形貌低頻電磁表征方法、粘接強度紅外熱成像檢測定量評估方法、基于半導體激光技術(shù)和光學混頻技術(shù)的便攜太赫茲成像檢測、太赫茲檢測儀關(guān)鍵參數(shù)的計量等方面形成多種方法。

4）系統(tǒng)軟件類成果：為配合設備的研發(fā)及成果應用，開發(fā)磁巴克豪森應力測量軟件、多磁參數(shù)疲勞檢測儀軟件、典型電磁無損檢測方法數(shù)值模擬軟件、油液金屬磨屑在線監(jiān)測及集成數(shù)據(jù)管理分析軟件，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場特殊環(huán)境檢測、監(jiān)測工藝的快速制定。

4 項目預期的經(jīng)濟社會效益

4.1 本項目科學預期指標及科學價值

通過總結(jié)研發(fā)過程中的數(shù)據(jù)、成果，揭示非鐵磁性材料損傷脈沖渦流與微磁檢測機理，明確鐵磁性材料應力與疲勞損傷磁參數(shù)表征方法，探明金屬材料電磁無損檢測漏磁與渦流相互作用機理和非金屬材料損傷紅外與太赫茲檢測機理，建立電磁無損檢測正反問題一體化數(shù)值模擬方法，對發(fā)展電磁無損檢測理論，推進我國電磁無損檢測儀器水平具有重要科學價值。

1）直接科學價值：解決非鐵磁性材料損傷電磁檢測信號獲取，鐵磁性材料應力與疲勞多參數(shù)評估，金屬材料體積缺陷與磨損檢測及非金屬材料損傷紅外的大功率均勻激勵與太赫茲反演等關(guān)鍵技術(shù)。提高材料損傷檢測領域的認知水平，擴展及補全其研究范疇，推動該領域科學進步具有巨大價值。

2）間接科學價值：提出理論研究及新的檢測方法，其方法不僅可以應用于材料損傷檢測，也能夠為其他領域?qū)W科的相關(guān)研究提供借鑒。

4.2 本項目產(chǎn)業(yè)預期指標及經(jīng)濟與社會效益

在非鐵磁性材料脈沖渦流與微磁檢測、鐵磁性材料損傷多參數(shù)檢測、金屬體缺陷低頻電磁檢測和非金屬材料紅外與太赫茲檢測等方面，預期提交檢測儀器樣機8臺套。

電磁檢測仿真軟件具備仿真渦流、脈沖渦流、漏磁和低頻電磁檢測功能，能求解線性和非線性電磁問題。

研制帶包覆層非鐵磁金屬構(gòu)件脈沖渦流檢測儀和奧氏體不銹鋼材質(zhì)劣化的微磁檢測儀，實現(xiàn)高低溫工業(yè)設備（如低溫LNG設備）不拆包覆層在線檢測，及時消除安全隱患，減少高低溫設備事故發(fā)生及降低維護成本。

研制鐵磁性材料疲勞狀態(tài)多磁參數(shù)和磁巴克豪森應力檢測儀，實現(xiàn)鐵磁性材料早期損傷檢測與評估，提高鐵磁性工業(yè)設備構(gòu)建的完整性、延長其使用壽命，減少突發(fā)性疲勞或應力失效事故的發(fā)生。

開發(fā)典型電磁無損檢測信號集成數(shù)值模擬和缺陷定量評估軟件，集成國際電磁無損檢測理論和技術(shù)最新研究成果的電磁無損檢測軟件，用于指導電磁無損檢測探頭和儀器開發(fā)以及缺陷反演定量，支撐我國電磁無損檢測整體研究與技術(shù)實力的提升。

研制低導熱率大壁厚材料的主動式紅外熱成像和便攜太赫茲檢測儀，提出太赫茲檢測儀關(guān)鍵參數(shù)的計量方法，搭建無損檢測用紅外熱像儀設備標準研究及關(guān)鍵參數(shù)測試平臺，推動非金屬材料紅外熱成像和太赫茲檢測領域的發(fā)展，制定無損檢測紅外熱成像設備性能測試ISO國際標準，奠定我國在該領域的國際主導地位與影響力，促進我國電磁無損檢測儀器走向國際市場。

綜上所述，通過本項目研究，為我國檢測服務行業(yè)提供先進儀器與技術(shù)標準，提高我國檢驗檢測機構(gòu)的核心競爭力；開發(fā)的檢測儀器既打破國外壟斷又具有國際市場競爭優(yōu)勢，提高我國電磁無損檢測儀器開發(fā)水平；為我國石油、化工、電力等領域工業(yè)設備的安全運行、降低運營與維護成本，提高設備效益和安全性，減少泄漏或爆炸事故發(fā)生提供保障，促進安全檢測科學技術(shù)進步具有重要價值，相關(guān)研究成果還可應用于國防裝備、大型橋梁和鋼結(jié)構(gòu)的檢驗檢測，預期社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益巨大。

5 展望

該項目是國家重點研發(fā)計劃“國家質(zhì)量基礎的共性技術(shù)研究與應用”（NQI）重點專項的重要組成部分，旨在適應當前工業(yè)設備向極端化、輕量化、復雜化方向發(fā)展的趨勢，突破極端條件下檢測技術(shù)的瓶頸。項目成果轉(zhuǎn)化后將極大推動電磁檢測領域的發(fā)展，部分技術(shù)達到世界先進水平。該項目致力于解決金屬材料、非金屬材料檢測的關(guān)鍵技術(shù)難題，但鑒于經(jīng)濟成本、時間成本、人力成本的限制，無法攻克所有材料檢測的技術(shù)難題，僅針對幾種典型材料進行研究。同時，隨著工作化進程的不斷發(fā)展，設備多樣化、智能化趨勢明顯，新問題也會隨之出現(xiàn)。因此，望日后在本課題研究基礎上，國內(nèi)的相關(guān)機構(gòu)和專業(yè)人員繼續(xù)深入開展該領域科學研究，同時希望國家持之以恒的資助材料損傷電磁無損檢測方面的技術(shù)研究。

[1] 沈功田，胡斌.大型承壓設備不停機電磁無損檢測技術(shù)及應用[J].中國特種設備安全，2016，32(01)：6-12.

[2] 武新軍，張卿，沈功田.脈沖渦流無損檢測技術(shù)綜述[J].儀器儀表學報，2016，37(08)：1698-1712.

[3] 沈功田，鄭陽，蔣政培，等.磁巴克豪森噪聲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].無損檢測，2016，38(07)：66-74.