金属材料点蚀缺陷的无损检测方法探究

张秀强

无锡宏邦检测有限公司 江苏 无锡 214000

摘要：点蚀缺陷将直接影响金属材料的使用性能和使用寿命。对其进行有效的无损检测和评价，为预测疲劳寿命提供数据支持具有重要意义。介绍了点蚀缺陷的特点，介绍了点蚀缺陷无损检测的基本原理，包括漏磁检测、脉冲涡流检测和超声导波检测，总结了这些方法在点蚀缺陷无损检测中的应用现状。从理论模型、信号分析到工业应用，对各种无损检测方法的关键环节进行了比较分析。

关键词：金属材料；点蚀；无损检测；评估

金属材料结构中、腐蚀损伤的影响是由状态变化形成新的阶段,和危险的腐蚀损害国民经济和国防建设是非常严重的,不仅会导致生产停顿,失败的结构材料,资源枯竭、有害物质泄漏等，也会导致巨大的经济损失，甚至灾难性的后果。每年，世界上许多国家都需要投入大量的人力物力进行腐蚀检测与防护。腐蚀检测已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金属材料结构的安全性和经济性具有重要意义。

1、点蚀损伤的特点

麻点腐蚀损伤的初始阶段,是一种金属基体的腐蚀损害直接暴露在腐蚀性环境,形成局部腐蚀孔深度和发展,因为保护层受损,部分渗透在拉应力的作用下或化学物质。点蚀的发生和扩展可分为点蚀形核和点蚀生长两个阶段。点蚀成核的原因有两个。一是金属表面氧的吸附点被氯离子取代时发生点蚀。第二，由于氯离子半径小，它可以通过钝化膜进入膜内，产生的导电感应离子使膜在某一点保持高电流密度，使阳离子随机移动。当膜-溶液界面处的电场达到一个临界值时，就会发生点蚀。麻点核形成后会继续生长，当麻点核达到临界尺寸时，会出现宏观麻点^[1]。

点蚀位置具有很强的随机性，在点蚀区容易形成疲劳源。结构表面形成的点蚀坑改变了结构的表面状态，进而导致局部或整体损伤，这取决于点蚀坑深度、应力水平和材料疲劳裂纹的综合影响。点蚀-疲劳相互作用，由于点蚀表面裂纹受点蚀扩展速率模型动力学控制，当点蚀扩展到临界尺寸(应力强度因子达到疲劳裂纹的阈值)或疲劳裂纹扩展速率大于点蚀扩展速率时，疲劳裂纹的萌生是点蚀点。疲劳裂纹在点蚀点处成核，然后经过点蚀生长、点蚀到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破坏。

2、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^[2]。

2.1漏磁检测理论分析

采用二维有限元分析方法，研究了管道压力对渗透率的影响。通过分析漏磁场分布，建立了漏磁信号与裂纹组参数之间的关系。通过理论模拟和实验验证，分析了管道管壁点蚀缺陷的差异。研究结果表明，模拟计算的径向磁通密度异常峰值与实验实测的真实值具有较强的线性相关性。对铸铁件漏磁探伤方法进行了研究。采用有限元方法分析了磁体几何尺寸对磁化效果的影响，解释了磁漏检测中各参数之间的关系。建立了不同尺寸管道腐蚀的有限元模型，通过分析漏磁场叠加的影响，得到了漏磁场参数随缺陷尺寸的变化规律。研制了管外三磁化单元探测器，扫描范围为55mmx3mmx (4~12.5) mm。通过试验验证了不同位置、不同尺寸的腐蚀缺陷和内外壁缺陷的检测效果。

2.2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置处理，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^[3]。

3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。

4、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。

5、点蚀缺陷无损检测的特殊性

点蚀缺陷将对金属材料产生应力集中，使裂纹很快从点蚀坑处萌生，点蚀与裂纹萌生不存在对应关系，点蚀只是增大发生疲劳断裂的概率，当金属材料表面出现大量点蚀缺陷时，从统计学观点看发生疲劳裂纹萌生的概率接近 1。与金属材料的其他类型缺陷相比(如裂纹、夹杂等)，点蚀缺陷是一种典型的早期、微型缺陷，其隐蔽性强、萌生期长短不一、受环境影响大等特征造成了点蚀缺陷无损检测的难点在于早期点蚀缺陷损伤并不是集中分布的，其聚集度很难引起常规无损检测技术的特征响应。

由于点蚀缺陷与裂纹型突变性缺陷不同，其深度浅、形状复杂的特征会导致缺陷漏磁场十分微弱，因而传感器的输出信号将十分微弱，这对采集传感器的灵敏度提出了很高要求，此外漏磁信号特征简单，对缺陷信号特征量进-步分析造成较大困难。此外如果漏磁检测速度较快时，磁力线密度减小会严重影响检测精度。利用脉冲涡流技术检测点蚀缺陷其本质特征是反映被测工件的磁导率、电阻率、壁厚和传感器提离等信息，由于上述信息耦合在一起，从一维信号检测出相关信息的难度很大，因此一方 面要对信号预处理，抑制噪声以提高检测信号信噪比，另一方面要寻找特征量以实现信息分离。由于点蚀缺陷变化缓慢，与裂纹缺陷类似的是难以造成金属材料在横截面积的损失某一截面损失量不大，因此不会产生很强的超声导波反射信号。

结束语

基于无损检测技术对点蚀缺陷进行可视化，并通过图像处理和信号分析提取检测图像的特征信息，对点蚀缺陷进行定量表征。利用高阶谱分析、小波分析和盲源分离技术的现代信号处理方法，如精确分析和提取特征信号的超分辨率重建技术，用于分析二维或三维图像的特征信号重建不仅是点蚀无损检测的一个重要研究方向，同时推广其他无损检测方法也是检测可靠性和准确性的唯一途径。

参考文献：

[1]张博, 张宝俊, 张登,等. 金属材料点蚀缺陷的无损检测方法综述[J]. 河北科技大学学报, 2017, 38(6):8.

[2]王鑫, 付跃文. 铁磁性平板构件腐蚀缺陷的脉冲涡流检测[C]// 2018远东无损检测新技术论坛论文集. 2018.

[3]宋双官, 郭妍琼, 许可,等. 奥氏体不锈钢点蚀缺陷的相控阵超声检测[J]. 无损检测, 2021, 43(8):77-84.