《机械工程学报》特邀专栏 | 承压设备的无损检测与评价

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题目：承压设备无损检测与评价技术发展现状

作者：沈功田

单位：中国特种设备检测研究院

摘要：承压设备包括锅炉、压力容器和压力管道，其运行安全对保障国家经济运行和人民日常生活至关重要。在承压设备建造阶段，无损检测与评价技术被应用于原材料生产和焊接质量的检测与控制。在使用阶段，无损检测与评价技术被用于及时发现承压设备在运行过程中出现的各种材料劣化和损伤等缺陷，并可根据检测结果对承压设备的安全状况进行评价，并对承压设备的剩余寿命进行评估。首先，论述对承压设备进行无损检测与评价的重要性，给出目前已成熟和正在发展的无损检测与评价技术；然后，重点对辐射、声学、电磁以及其他领域的各个新的检测技术进行介绍，简述这些技术的原理、特点、适用范围，并指出其存在的不足和发展趋势；最后，对未来承压设备对无损检测与评价技术的需求进行总结，指出将来需进一步开展的主要研究领域和重点任务，以便更好地保障承压设备的运行安全。

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题目：数字射线检测技术理论研究进展

作者：倪培君  王俊涛  闫  敏  郑世才

单位：中国兵器科学研究院宁波分院；中航工业综合技术研究所；航天科工防御技术研究试验中心

摘要：数字射线检测技术理论主要包括检测图像质量表征、细节识别理论和检测技术控制理论三个方面。近年来，国外相关研究的关注重点是检测图像质量参数。国内的研究工作对检测图像质量参数做出全面讨论，从视觉特性定律系统性给出细节识别理论，将图像数字化技术控制引入检测技术控制理论。等价性评定是数字射线检测技术替代胶片射线照相检测技术需要解决和回答的问题，国外主要进行了对比试验，国内引入成像过程理论作出理论性处理，同时给出了技术标准和检测技术系统等价性问题的简单处理方法。

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题目：长输油气管道弱磁应力内检测技术

作者：闵希华  杨理践  王国庆  饶 心  刘 斌

单位：中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司；沈阳工业大学信息科学与工程学院

摘要：应力集中是导致油气管道发生破坏的重要原因，它的存在给管道的安全运行带来风险。针对油气管道的应力在线检测及风险评价，提出弱磁应力内检测技术。对弱磁信号产生的原因进行分析，利用基于第一性原理的材料仿真软件对铁磁材料在受力过程中的弱磁效应进行计算。提出管道差异运行压力下二次弱磁内检测法，给出油气管道应力集中程度的评价方法。自主研发高精度弱磁应力内检测装置并在实际管道中进行应用，实现长输管道应力集中的在线内检测及风险评价。利用各种检测手段对检测结果进行现场验证。结果表明：弱磁信号的产生与应力及其损伤状态直接相关。应力作用根本上导致原子磁矩变化，宏观表现为弱磁信号随应力的变化而变化。管道差异运行压力二次弱磁内检测可以准确评价管道应力集中风险程度。工程实际应用及开挖验证表明了管道弱磁应力内检测技术的可行性及有效性。

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题目：相控阵超声水浸C扫描自动检测系统的研制

作者：周正干  李文涛  李  洋  高翌飞

单位：北京航空航天大学机械工程及自动化学院；北京航空航天大学先进航空发动机协同创新中心；中国船级社

摘要：采用常规超声水浸C扫描检测系统检测工件时，为了得到较好的检测精度，一般采用较小的扫描步距，检测效率低，同时换能器聚焦深度不能改变，灵活性差。为了提高超声水浸C扫描检测的检测速度、检测适用范围及灵活性，采用相控阵电子线性扫描及其成像算法，结合三自由度机械扫描架，研制了相控阵超声水浸C扫描检测软硬件系统。采用64阵元的相控阵超声换能器分别对铝合金平板、钛合金增材制造试样进行了检测试验，对检测系统的性能进行了初步验证。试验结果表明，所研制的系统相对于常规超声水浸C扫描系统的检测效率和检测能力均有较大提升。

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题目：复合材料结构中R区的超声波反射行为及其检测应用

作者：刘菲菲  刘松平  傅天航  李乐刚  白金鹏  史俊伟

单位：中航复合材料有限责任公司复合材料检测技术中心

摘要：复合材料已成为现代飞机制造的非常重要的选材，复合材料结构R区缺陷会影响其受力和传载。R区开敞性差、声波反射复杂等影响超声检测及其缺陷识别与定量评估。为此，基于超声波在R-区的反射行为，利用宽带窄脉冲超声反射回波时域特征和成像特征进行复合材料结构R区缺陷检测与量化评估及层深定位。计算结果表明，入射角小于3°时，可以获得较好的声波透射效果。试验结果表明，入射声波在R区蒙皮表面、底面、层间、分层形成的反射信号具有明显不同的时域特征和B-扫描图像特征，对于12个铺层的R-区蒙皮，不同深度分层波幅变化不超过2.5 dB；分层深度定位准确性达1个铺层内；采用水膜方法可以获得稳定的超声耦合效果；利用所使用的换能器及检测系统的超声B-扫描成像，可以直观地再现入射声波在复合材料R区的反射行为，有效地揭示R区分层缺陷深度分布、取向长度；检测分辨率和表面检测盲区可以达到单个复合材料铺层的厚度，约0.125 mm。解剖结果验证了实际超声检测结果的正确性。为复合材料结构R区提供了一种非常有效的检测技术和缺陷定性定量方法，已经得到了非常重要的实际检测应用。

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题目：基于超声波的结构内部温度场重建方法研究

作者：施 超  胡 斌  梁晓瑜

单位：中国计量大学计量测试工程学院；中国特种设备检测研究院无损检测中心

摘要：针对在工业应用中对结构内部温度场无损测量的需求，以超声测温机理和热传导理论为基础，提出一种一维稳态结构内部温度场的重建方法，并且设计一套微秒级超声声时测量的超声测温系统以验证此方法的可行性。根据所提出的结构内部温度场重建方法，分别进行超声声速与温度的标定试验和结构内部一维稳态非均匀温度场的重建试验，测量了结构试样在单边受热过程中的超声声时，构建了结构试样底面在100 ℃、150 ℃、200 ℃加热，上表面15 ℃水冷情况下的内部温度场分布，并且系统分析冷端边界条件、标定方程、热扩散系数、热膨胀等因素对重建效果的影响。结果表明：本方法能够实现结构内部一维稳态温度场的重建，并且在对于温度梯度明显的区域具有较好的重建精度。

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题目：基于幅度加权编码激励的不锈钢焊缝TOFD成像检测研究

作者：丛 森  刚 铁  张佳莹

单位：中国工程物理研究院电子工程研究所；哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室

摘要：通过Hamming窗加权方法设计了幅度加权调频编码激励信号，将这种新型的激励方法与TOFD (Time-of-flight diffraction) 检测方法相结合，综合提高了粗晶奥氏体不锈钢焊缝缺陷检测的时间分辨力、检测信噪比和缺陷定量定位精度，有效改善了粗晶焊缝超声检测中的难点问题。为分析设计的幅度加权调频编码激励信号的检测能力，针对奥氏体不锈钢母材试件和焊缝试件中的横孔缺陷，采用5 MHz探头分别进行了编码激励和常规激励的TOFD成像检测对比试验，结果表明：在相同的检测条件下，幅度加权调频编码激励可提高了图像和信号质量，使检测信号中的杂波和噪声得到抑制，缺陷上端和下端衍射波被准确区分，使各波形的时间宽度降低了30%，有效提高了TOFD检测的时间分辨力；获得的缺陷定位定量测量的平均相对误差为3.8%，较常规激励降低了47%，这种激励方法可在不提高激励电压和增益条件下，使不锈钢焊缝中缺陷检测的信噪比达16 dB以上，较常规激励平均提高了7 dB。

8

题目：基于赫兹接触的板中微裂纹非线性兰姆波检测方法研究

作者：焦敬品  孟祥吉  吕洪涛  吴  斌  何存富

单位：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院

摘要：针对金属板结构中微裂纹检测问题，进行基于二次谐波的非线性兰姆波检测方法研究。基于赫兹接触理论，进行板中二次谐波非线性兰姆波理论研究，建立板中兰姆波二次谐波与微裂纹尺寸的关系模型。进行板中微裂纹非线性兰姆波数值仿真，研究不同长度和宽度的微裂纹对兰姆波二次谐波非线性效应的影响。结果表明，随着微裂纹长度增加，二次谐波幅值呈增加趋势；随着微裂纹宽度增加，二次谐波幅值呈减小趋势。在以上研究基础上，进行板中微裂纹非线性兰姆波检测试验研究。结果表明，通过测量结构的兰姆波二次谐波非线性系数，可用于结构中微裂纹检测与定量评价。研究工作为板中微裂纹定量检测做了有益探索。

9

题目：基于模糊加权马尔科夫链的焊缝隐性损伤磁记忆特征参数定量预测

作者：邢海燕  孙晓军  王 犇  葛 桦  党永斌  喻正帅

单位：东北石油大学机械科学与工程学院

摘要：针对磁记忆技术在焊缝隐性损伤状态定量评价与预测中的难题，建立基于无偏灰色模糊加权马尔科夫链的焊缝隐性损伤状态磁记忆特征参数定量预测模型。以Q235焊接试件为试验材料，拾取焊缝纵向和横向磁记忆信号分布，与同步X射线检测结果进行对比得出：在宏观损伤时满足传统的磁记忆检测判据，即切向分量Hp(x)具有极大值，法向分量Hp(y)过零值；而在隐性损伤时并没有出现传统判据特征，说明Hp(x)与Hp(y)并不能准确地判断隐性损伤状态和程度。为此引入正交矢量合成梯度比Kr，可以较为敏感地反映隐性损伤状态，但敏感性同时带来局部振荡波动性，造成对隐性损伤后续发展状态的磁记忆定量预测困难。因此，在无偏灰色预测理论和马尔科夫链的基础上，结合模糊隶属函数建立模糊加权马尔科夫链磁记忆定量预测模型，验证结果表明：无偏灰色理论结合模糊加权马尔科夫链后的定量预测模型，其最大相对误差从38.492 5%降到5.046 4%，为实际工程中焊缝隐性损伤未来发展状态的定量预测与维修策略选择提供了新的思路。

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题目：管道超声导波分段时间反转检测方法研究

作者：周进节  郑 阳  杨 齐  张宗健

单位：中北大学机械与动力工程学院；中国特种设备检测研究院国家质量监督检验检疫总局无损检测与评价重点实验室

摘要：超声导波时间反转聚焦是实现管道小缺陷检测的一项常用技术，但目前使用时需要预判缺陷大致位置以确定时反窗的起点及宽度，在实际工程使用中往往难以实现。针对此问题，提出一种基于超声导波分段时间反转的管道检测方法。该方法将管道待检区域划分为多段区间，分别对不同区间段各阵元的常规导波检测信号进行时间反转，然后将各区间段的时反信号依次作为激励信号重新激发对应阵元，以获取各段区间的时反检测信号。仿真和试验结果表明，当某区间段的时反检测信号的信噪比优于常规导波检测时，可判定该区间段内存在缺陷，并能进一步精确计算出缺陷具体位置，反之，则可判定该区间段内不存在缺陷。通过分段时间反转检测可实现对管道整个待检区域中的小缺陷的有效检测。

客座主编介绍  

沈功田，中国特种设备检测研究院副院长，博士，研究员，博士研究生导师。长期从事特种设备制造质量和运行安全的检测监测与评价技术研究、仪器系统开发和工程应用，是我国无损检测和特种设备安全工程领域的科技专家和国际标准化专家。先后主持国家重点项目20多项，获得国家科技进步二等奖3项、省部级科技一等奖7项，授权发明专利6项；负责制订国际标准3项、国家标准18项、行业标准7项，出版专著7本（国家出版基金资助1本）、发表学术论文165篇（SCI 14，EI 37）、论文他引3400多次。

现任国际声发射学会主席，中国机械工程学会常务理事、无损检测分会理事长，中国无损检测标准化技术委员会、中国索道和游乐设施标准化技术委员会理事长，国务院安委会专家，华中科技大学等高校兼职教授。为国家“百千万人才工程”国家级人才（1999）、国家“万人计划”首批科技创新领军人才（2013）、国务院特殊津贴专家（2001），获科技部 “十一五”国家科技计划执行突出贡献奖（2011）、科技部重点领域创新团队“特种设备安全检测与评价”团队（2013）领导人、全国质检系统科技兴检突出贡献奖（2011、2016）。

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