金属材料点蚀缺陷的无损检测方法综述

金属材料点蚀缺陷的无损检测方法综述

李会杰

（天津奥美自动化系统有限公司天津300000)

摘要：点蚀缺陷会直接影响金属材料的使用性能与服役寿命，对其进行有效的无损检测与评估为预测疲劳寿命提供数据支撑具有重要意义。通过阐述点蚀缺陷的特点，介绍以漏磁、脉冲涡流和超声导波为主的点蚀缺陷无损检测基本原理，总结了这些方法用于点蚀缺陷无损检测的现状，对比分析了多种无损检测方法从理论模型、信号分析到工业应用的关键环节。

关键词：金属材料；点蚀；无损检测；评估

1前言

金属材料结构受到介质的作用而发生状态改变形成新相从而产生腐蚀损伤，而腐蚀损伤对国民经济和国防建设的危害十分严重，不仅会导致生产停顿、材料结构失效、资源损耗、有害物质泄漏等，而且可能导致重大经济损失甚至灾难性后果。世界各国每年都要投入大量人力和物力进行腐蚀检测与防护，腐蚀检测己成为现代科学技术研究的重要领域之一，及时准确地发现腐蚀损伤并评估其损伤程度对于金属材料结构的安全性与经济性具有重要意义。

2点蚀损伤的特点

点蚀作为腐蚀损伤的初始阶段，是由于金属表面在拉应力或化学物质作用下，因保护层遭到破坏并出现局部穿透，使金属基体直接暴露在腐蚀环境中形成局部腐蚀小孔并向纵深发展的一种腐蚀破坏形式。点蚀的发生与扩展可以分为2个阶段，即点蚀成核与生长。关于点蚀成核的原因有2种说法：一是当金属表面上氧的吸附点被氯离子所取代时就发生了点蚀；二是由于氯离子半径小，可穿过钝化膜进入膜内，产生的导电感应离子造成了膜在特定点上维持较高的电流密度，使阳离子随机运动，当膜－溶液界面的电场达到某一临界值时，就发生点蚀。点蚀核形成之后会继续生长，至临界尺寸时，便出现宏观蚀坑。

点蚀的发生部位具有较强的随机性，通常在点蚀发生区域易形成疲劳源。点蚀在结构表面形成腐蚀坑改变了结构的表面状态，进而导致了局部或全面的损伤，这取决于点蚀坑深度、应力水平和材料疲劳裂纹等因素的综合影响。点蚀－疲劳交互作用时，一般把点蚀当作表面裂纹由点蚀动力学控制裂纹增长速率建立模型，当点蚀增长到临界尺寸（应力强度因子达到疲劳裂纹的门槛值），或者是疲劳裂纹增长速率超过点蚀增长速率时，在点蚀坑处萌生疲劳裂纹。疲劳裂纹在点蚀坑处成核，继而经过点蚀增长、点蚀向疲劳裂纹形成的过渡阶段、短裂纹扩展、长裂纹扩展直至金属结构的破坏。

3点蚀缺陷的漏磁无损检测研究

漏磁无损检测方法的原理是对铁磁性材料施加磁场进行磁化处理，如果被磁化的铁磁材料存在缺陷，会引起缺陷区域及其附近区域的磁导率降低而磁阻增加，通过磁敏检测元件测量磁通溢出到工件表面形成漏磁场的大小，建立漏磁场和缺陷之间的量化关系以实现缺陷检测。

3.1漏磁检测理论分析

利用二维有限元分析方法研究了管道压力对磁导率的影响，通过对漏磁场分布的分析建立了漏磁信号与裂纹集合参数之间的对应关系。通过理论仿真和实验验证分析了输油管壁的点蚀缺陷的差异，研究结果表明仿真计算得出的径向磁通密度异常峰值与实验获得的真实测量值具有较强的线性相关性。还研究了铁铸件缺陷的漏磁探伤方法，采用有限元法分析了磁体几何尺寸对磁化效果的影响以及解释了漏磁检测中各种参量之间的关系。建立了不同尺寸的管道腐蚀有限元模型，通过分析漏磁场叠加的影响获得了漏磁场参数随缺陷尺寸变化的规律，研制了扫描范围为55mmx3mmx（4~12.5）mm的三磁化单元管道外检测仪，通过检测实验对不同位置、尺寸的腐蚀缺陷和内外壁缺陷的检测效果进行了验证。

3.2漏磁检测信号处理

利用脉冲漏磁技术对输油管道进行腐蚀检测，由于利用脉冲激励所产生多种频率的信号提高了对管道深层缺陷的检测能力。将管道漏磁检测的健康数据、缺陷数据和非缺陷数据整合，考虑到每个传感器采集数据的相关性，采用一阶差分预处理方法对数据进行了前值处理，提出基于漏磁检测数据重要性的动态范围阈值判断方法，以将健康数据和缺陷数据分离，并实现漏磁检测数据的分类压缩。基于漏磁信号特征提出了缺陷定量化方法，分析了横向缺陷尺寸、走向和极靴距离与信号的对应关系。

4点蚀缺陷的脉冲涡流无损检测研究

常规涡流无损检测技术以单一频率的正弦信号作为激励，通过分析感应信号的幅值和相位等稳态信息以实现缺陷检测，但无法进行定量分析。与常规涡流无损检测技术相比，脉冲涡流无损检测技术由于脉冲宽频谱包含了丰富的结构信息，仅需要一次性扫描就可以检测出表面、近表面缺陷并包含缺陷深度，通过对瞬态时域信号进行分析，可以进一步对金属结构及缺陷进行定量评价。采用磁传感器对多层导电结构材料进行了试验分析，通过主成分分析法提取信号特征量以实现表面、近表面的缺陷的分类识别，结果表明该分类算法优于传统的峰值、峰值时间以及过零时间的特征分类。对脉冲涡流检测信号进行FFT变换后比较了频谱与参考信号的分离点，以实现对不同深度裂纹的分类，提高了缺陷分类识别的准确率，并用实验验证了所采用方法的正确性。结合脉冲涡流检测信号的频谱特点，提出基于谱相对变化量以实现不同类型缺陷的分类。

5点蚀缺陷的超声导波无损检测研究

超声导波在金属材料内部传播过程中遇到损伤或缺陷时与其发生相互作用，发生反射和透射现象以及产生新的导波模态，可对由传感器采集的导波信号进行有效分析与特征提取，结合有效的缺陷辨识方法以实现金属材料损伤缺陷程度的评估。与常规超声波技术相比，超声导波的优势在于传播距离远及声场遍布整个金属材料结构内部。由于超声导波的声场遍及整个金属材料内部，接收到的超声导波信号不仅包含了有关激励和接收两点间结构整体性的信息，而且意味着可以检测构件的内部缺陷与表面缺陷。通过频率带通滤波器和小波分析来提高导波信号的信噪比。利用时间反转法研究了多模态的导波传播特性。在理论上证明了时间反转聚焦效应可用于管道导波缺陷的检测和定位，同时对含有裂纹及孔型小缺陷的管道进行了有限元数值模拟。将接收信号分解为单一模态的波形信号，利用时间反转技术对任意时间的管道表面上的空间波形图像进行重构，进而确定缺陷位置。提出了管道超声导波快速聚焦方法，并对其进行了仿真和实验验证，极大提高了成像效率。对钢管进行了超声导波检测，通过对导波信号进行加窗FFT和时频局部化处理提高了回波信号的信噪比。通过实验验证了混合边界元技术，利用局部扫频技术获得了更多的缺陷信息，并以此作为神经网络系统缺陷分类器的信息源，同时指出模态选择是决定管中Lamb波进行缺陷分类和定征成功与否的关键因素。

6结束语

基于无损检测方法将点蚀缺陷进行可视化成像，通过图像处理与信号分析提取检测图像的特征信息，实现定量化表征点蚀缺陷。利用高阶谱分析、小波分析与盲源分离技术等现代信号处理方法准确分析与提取特征信号，利用超分辨率重建技术对特征信号进行2D或3D图像重构不仅是点蚀无损检测的重要研究方向，也是提升其他无损检测方法检测可靠性与准确性的必由之路。

参考文献：

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