超声波无损检测技术的发展与应用

瞿辉 戴晓娇 赵金菊

摘 要：简要阐述了超声波无损检测技术的原理与优点，着重分析了超声波检测技术在建筑工程桩基质量检测、电气设备局部放电故障检测以及铁路钢轨检测过程中的应用情况，超声波无损检测技术可以快速检测出故障位置和范围，提高检测效率。

关键词：超声无损检测技术;工作原理;质量检测

0 引言

20世纪30年代，随着超声波技术逐渐向图像化、自动化以及数字化方向发展，前苏联科学家Sokolv利用超声波探查金属内部质量缺陷问题。20世纪40年代，美国推出了脉冲回波式超声检测仪。随着超声波检测仪器的推出，超声波检测技术逐渐成为工业领域最常用的探伤检测技术之一。随着计算机信息技术的发展，现代成像技术、人工智能技术、传感技术以及神经网络技术在超声波检测中得到广泛应用，超声波检测技术逐渐向数字化、智能化方向发展，具体表现在，工业生产过程中超声波无损检测仪器可以对产品进行实时监控，识别并剔除生产过程中有缺陷的产品，提高产品生产质量和生产效率。

1 超声波无损检测技术的工作原理与优点

1.1    超声波无损检测技术工作原理

无损检测是利用声、光、磁和电的特性，在不损害或者不影响被检测物性能的前提下，检测被检物内部是否存在质量缺陷或性能下降，检测仪器可以实时反映缺陷的大小、位置、性质以及数量等信息，从而判断被检测物体的性能状态。超声波指频率大于20 kHz并连续在介质传播的机械波。超声波无损检测技术是通过超声波与检测物相互作用，超声波仪器发出声波，声波具有良好的导向性，沿着介质直线传播，超声波介质在传播过程中会衰减和散射，如果检测物体存在缺陷，则传播方向或声波介质特征发生改变，改变后的超声波将声波信息反馈到超声波仪器中，超声波仪器对其进行处理，从而对检测物体的宏观缺陷、几何特性、组织结构以及力学性能变化进行综合评价。

1.2    超声波无损检测技术的优点

与其他无损检测技术相比，超声波无损检测技术具有以下优点：

（1）检测范围广，可以用于金属、非金属等复合材料构件的无损检测。（2）穿透力强。超声波检测技术可以穿透到物体内部进行缺陷检测，不仅可以检测1～2 mm的薄壁管材，还可以检测几米厚的钢锻材。（3）可以精准定位检测物体缺陷位置，并对面积型缺陷的物件质量缺陷检出率高。（4）灵敏度高。超声波无损检测技术可以检测尺寸很小的物体缺陷，检测成本低，对人体和环境不会产生有害物。

2 超声波无损检测技术的应用

由于超声波无损检测技术灵敏度高、操作简单、检测效率高、检测范围广等，被广泛应用于建筑工程、电气工程以及泄漏检测等领域，弥补了传统检测技术的不足，有利于实现机械设备的预防性检修。

2.1    超声波无损检测技术在建筑工程桩基检测中的应用

桩基是建筑工程的基础，承担建筑结构上层负荷。桩基工程属于隐蔽性工程，一定程度上增加了施工质量检测的难度。随着我国建筑行业的发展，桩基越来越复杂，任何一个环节都可能影响到桩基质量。因此，需要加强桩基工程质量检测，检测内容包括桩基成孔质量、桩基承载能力以及桩基完整性。将超声波无损检测技术应用于桩基检测过程中，利用超声波在相同技术条件下混凝土传播的时间、接收声波的振幅和频率等判断桩基内部的质量缺陷。超声波在桩基传播的速度与混凝土的密实度有关，如果超声波传播速度快，则表示混凝土比较密实;反之，则表示混凝土不密实。当桩基混凝土结构存在缝隙等问题，则会破坏混凝土结构的整体性，超声波介质沿着桩基传播过程中，会自动绕开孔洞或裂缝进行传播并反射到超声波检测仪器的接收器上，声波传播的路径延长，则检测时间过长或者超声波速度下降。因此，利用超声波介質传播过程中混凝土结构声学参数变化，确定桩基质量缺陷位置、范围及大小。世界上最高的桥梁——四渡河特大桥的桩基检测技术采用超声波无损检测技术，由于大桥主垮长度为900 m，塔顶到峡谷谷底的高差达到了650 m，是全世界首座跨度达到900 m以上的特大悬索桥。常规检测技术无法对桩基进行检测，因此采用超声波无损检测技术，检测人员只需要将超声波探测仪器设备连接在桥梁桩基基础上，根据桥梁桩基间距确定换能器和采集参数，打开超声波检测仪器，仪器自动采集桩基相关数据信息，并传输到电脑设备，根据声波传输的参数和图形，可以判断出桩基存在的的质量缺陷，并对可疑桩基进行再次检测，确定桩基情况，并采取有效的方式进行处理。

2.2    超声波检测技术在电气设备性能检测中的应用

由于大多数电气设备在室外运行，受到风、雨、雷电等自然因素的破坏和人为操作不当等造成电气设备损坏，可能出现绝缘体破裂、局部放电、短路等问题，影响到供电安全性和稳定性。因此需要定期对电气设备的各项指标进行检测，发现电气设备存在的问题，并及时进行检修，确保电气设备运行的安全性。以电气设备放电故障为例，电气设备常见的局部放电故障有电晕、电弧和电痕，发生电晕和电痕故障时，初期电气设备不会产生大量的热量，因此红外热成像技术无法检测到故障，但是发生电晕和电痕会产生超声波信号，利用超声无损检测技术对放电设备进行检测，通过远距离不接触检测，超声波作用在检测仪器设备上，声波将反射声波发送到接收器上，接收器可以显示检测电气设备可能出现的绝缘性能或者松动问题。这种检测方法主要针对电缆局部材料变形产生的压力，不受电气干扰，能够用于在线监测。但是由于声波从固体传向气体时，其声波会受到影响，导致声波变弱，会影响检测效果。

2.3    超声波无损检测技术在铁路检修中的应用

铁路是我国交通基础设施，截至2018年底，我国铁路运行里程达13万km。钢轨作为铁路运输的重要组成部分，由于运行距离远、客载负荷大，易出现侧磨、剥离掉块、腐蚀、垂直裂纹、周边裂纹等问题，影响到铁路运行的安全性。因此，铁路钢轨需要定期检测，但是传统的检测技术无法对铁路钢轨内部进行检测，无法发现内部存在的质量缺陷，将超声波无损检测技术应用于钢轨检测过程中，可以发现钢轨内部缺陷。将超声波检测仪器探头放在被检测钢轨的某一个检测面或探伤面，探头向被检测钢轨发射超声波信号，当超声波通过检测面进入到钢轨内部，如果钢轨内部存在缺陷或者裂缝，则会将超声波信号反射到探头接收器，接收器接收超声波信号后，发送到电脑端，电脑端将接收的缺陷信号和原有底波信号进行对比，根据超声波声程和探测过程的声程，可以将缺陷信号和底波进行分开，并通过超声波的试块对其进行定位，实现钢轨内部缺陷的定位和定量，快速找到钢轨内部缺陷位置和大小，及时对钢轨进行预防性检修，确保铁路运行的安全性和稳定性。

3 结语

超声波检测作为一种常见的无损检测技术，由于适应性强、灵敏度高、检测范围广等被广泛应用于建筑工程、电气工程、铁路运输工程等各个领域，是近年来无损检测技术的重点研究方向。随着计算机信息技术、人工智能技术等在超声波检测中的广泛应用，超声波无损检测技术将逐渐向定量、图像化、智能化方向发展。

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收稿日期：2019-12-30

作者简介：瞿辉（1984—），男，上海人，工程师，研究方向：无损检测之射线检测。