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| 干货 | 军事装备腐蚀检测新技术及应用 |
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文 |许占显, 林为干 电子科技大学电子工程学院, 四川成都 610054 飞机，舰船，坦克与火炮等军事装备，通常要求能够在严重的盐雾潮湿环境和恶劣的气候下使用，并充分发挥其效能，但是极易产生腐蚀缺陷问题。例如，飞机结构件因腐蚀而破坏，包括翼梁、门框、起落架外筒、螺旋桨毂，机翼等折断，甚至导致飞机失事。腐蚀已成为航空与军事装备事故的重要原因之一，由此导致军事装备防腐费用居高不下。据文献介绍，美国防部每年花在防腐上的费用约达10亿美元，国防部官员称，在考虑维修问题时，腐蚀是现阶段大的问题。如果腐蚀现象出现后未得到及时发现，不实施早期处理，会导致维修费用的大幅度攀升及事故的发生。 1 装备与结构件的腐蚀 军事装备与结构零部件在特定的腐蚀介质中工作时，常发生介质破坏与应力腐蚀。即使工作应力低于材料屈服应力，经过一段时间后，也会发生突然的脆断，即“介质破坏”。实际上，应力腐蚀开裂（静载荷下）和腐蚀疲劳（交变载荷下）两者一般都是在非常低的应力和非常弱的腐蚀介质联合作用下产生的，这种破坏往往没有宏观预兆就突然发生，特别对于焊接或冷加工后未消除残余应力的情况下， 其危害更大。应力腐蚀开裂，一般包括3 个不同阶段。第1 阶段， 金属构件表面上覆盖有氧化膜或防腐蚀的金属镀层，在拉应力和腐蚀介质的联合作用下，金属保护膜被破坏而出现局部穿透，使金属直接暴露在腐蚀介质中，形成蚀坑；第2 阶段，蚀坑起应力集中点的作用，成为应力腐蚀的裂纹源而出现裂纹；第3 阶段，在拉应力及腐蚀介质的联合作用下裂纹继续扩展，达到临界裂纹尺寸后构件突然脆断。2 腐蚀检测技术 2.1 光学目视检测 这种方法是，借助各类放大镜和孔探仪等进行宏观目视检测， 检查主要针对装备与结构易腐蚀的部位，例如飞机起落架舱等易积水的潮湿部位和构件接头。实践中，通常是根据结构件的形貌外观及颜色来判别腐蚀损伤，腐蚀部位在金属材料（如机体）表面易出现脱漆、鼓起和分层，严重腐蚀部位还会出现层状剥离及松散现象等。2.2 电阻与电位、电流法检测 电阻法检测：金属构件因腐蚀作用而使横截面积减小，从而导致电阻增大。电阻探针是检测装备腐蚀情况的一种有效工具，该方法可对装备的腐蚀状况进行检测与监测，能准确地反映出装备使用各阶段的腐蚀率及其变化，且能适用于各种不同的介质，快速、灵敏、方便。电位、电流法检测：金属表面因腐蚀介质的存在致使导电性能变差，因而局部发生电位、电流异常。电位法已在阴极保护系统监测中应用多年，并被用于确定局部腐蚀发生的条件。在军事装备维护方面， 经常应用小型电位仪、电流仪在现场探测缺陷与腐蚀。2.3 超声波法检测 利用压电晶片产生的高频声波穿过材料，测量回声返回探头晶片的时间或记录产生共振时声波的振幅作为讯号，来检测缺陷或测量腐蚀后的实际壁厚。超声波技术可检测飞机多层结构下的腐蚀坑与腐蚀裂纹，可以直接显示缺陷或给出厚度的数值，广泛地用于检测装备内部的缺陷、腐蚀损伤以及测量构件和管件的壁厚。可以对使用中的军事装备反复进行测量，但是难以获得足够的灵敏度来跟踪记录腐蚀速度的变化。2.4 漏磁法检测 漏磁法检测的基本原理是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性之上。腐蚀部位（特别是缺陷处）的磁导率远小于磁性材质本体的磁导率，结构件（如钢管）在外加磁场作用下被磁化，无缺陷时，磁力线绝大部分通过钢管，此时磁力线均匀分布；当钢管内部有缺陷时， 磁力线发生弯曲，并且有一部分磁力线泄漏出钢管表面，检测被磁化钢管表面逸出的漏磁通，就可判断腐蚀严重的程度和缺陷是否存在。漏磁通法适用于各种管壁缺陷进行检验，检测的管壁不能太厚， 干扰因素多，空间分辨力低。3 脉冲温度记录法检测新技术 近年来国外对腐蚀检测非常重视，采用了超声C 扫描、超声成像、磁光成像、红外成像、涡流检测和微波检测等新技术来检测装备与结构件的局部腐蚀损伤。位于美国密歇根州的热波成像公司开发了一种称为脉冲温度记录法（又称主动温度记录法）的新技术，可检测出用其他方法无法检测出的、结构层间的腐蚀与缺陷。该探测新技术属于主动红外无损检测技术，基于热传导理论和热辐射的普朗克定律提出的。热脉冲作用于试件表面之后，表面吸收热能并向试件内传导，当试件内存在缺陷时，由于缺陷部位与试件材料的热特性不同而引起试件表面温度场的分布异常，通过检测系统红外摄像仪对温度分布异常的识别以达到检测缺陷的目的。这种设备（脉冲红外热成像仪）的工作原理类似于一种秒级的摄影机，即将一束光投射在物体上而形成图像。然而，与传统摄影机不同的是，这种新设备可反映出隐藏在物体外表面之下的影像。这种特点结合其他诸如速度等方面的优势，使其在军事装备腐蚀缺陷检测与维修平台上占有重要地位。3.1 脉冲温度记录法检测原理与方法 由电磁辐射理论知道，只要物体温度在绝对零度以上，它就会向外界发出辐射，同时也会吸收来自外界的辐射，一般情况下，这种辐射与吸收处于平衡状态。脉冲温度记录法检测技术是建立在电磁辐射和热传导理论基础上的一种无损检测技术。正是根据理论公式，利用脉冲热源（激光闪射）施加的热能打破被检测试件所处的热平衡状态，在被检测试件内部造成热传导过程，通过热像仪接收来自物体的辐射，从而测定物体表面的温度场分布，当试件内部有缺陷存在时， 由于缺陷部位的热传导特性与无缺陷部位的热传导特性不同，这种差异将造成试件中有缺陷和无缺陷部分所对应的表面温度分布的差异，从而各部位的辐射强度也就不同。利用快速红外热像仪监测试件表面的温度场分布，然后根据温度场的异常分布情况来识别物体内是否存在缺陷。热波成像无损检测技术检测能力和分辨力主要取决于试件中有缺陷和无缺陷部分各自对应表面温度差值的大小。理论和试验结果表明，表面温度差与脉冲热源施加的热脉冲的能量密度成正比关系。因此，在检测中适当提高脉冲加热源的峰值功率，在一定程度上可以提高系统的检测能力，这也是它与一般红外检测的重要区别。一般来说，金属的发射系数较低，而非金属的发射系数较高，发射系数的高低对热波成像检测的分辨力影响比较大。对于发射系数低的材料可以通过增加脉冲热能得到补偿，但补偿是有限的，否则脉冲热能过强可能会损坏被检测试件。另外，也可以采用在发射系数低的试件表面涂发射系数高的涂层的办法来增强热辐射，对表面性能稳定的试件，这是一种比较好的办法，但对表面性能不稳定的试件，这种方法可能会对被检测试件表面造成污染或损坏。实际检测中，根据热脉冲作用的方式，脉冲温度记录法无损检测对试件的检测分为2 种方法：反射法和透射法。在反射法检测中，脉冲加热源与红外热像仪处于被检测试件的同一侧，而在透射法检测中，脉冲加热源和红外热像仪分居试件的两侧。由于在反射法和透射法这2 种检测方式中热脉冲的作用方式不同，所以它们有不同的应用范围。对于反射法来说，由于热脉冲直接作用于试件表面，所以要求试件表面的耐热性能要好一些，否则在检测中可能造成试件表面的损伤。在检测试验中，热脉冲作用于试件表面后的瞬间温度一般在100 ℃左右，如果提高热脉冲的峰值功率，瞬间温度会更高，在对纸质蜂窝材料检测试验中利用反射法就曾出现表面烧伤的现象。所以，反射法一般应用于表面耐热性能较好的试件，比如一般的金属材料试件。如果材料表面的耐热性能不好，为避免损伤材料的表面，一般采用透射法。但是，利用透射法的前提条件是被检测试件的厚度不能太大，否则无法检测到缺陷。3.2 热波成像仪系统组成与检测工艺过程 热波成像仪系统主要包括3 大部分：脉冲加热源、红外热成像系统和专用探伤软件，该系统方框图如图1 所示。热波成像仪是将呈闪烁样的光投射在结构表面上，以实现脉冲温度记录法。与测量物体热信号的、被动的红外检测系统不同的是，它是将一种光脉冲投射到目标上，因而达到主动记录温度的目的。真正起作用的并不是光而是热，其原理是在物体表面上加以少量的热，然后，随着它在物体内扩散，测量这一热能值。根据不同的热扩散率，即可检测表面下何处存在缺陷。根据具体环境与要求，制定和实施检测工艺。简单检测工艺过程如下：1）选择热源。采用脉冲加热源为双路脉冲氙灯，脉冲宽度小于0 .5 ms , 峰值功率约106 W；使物体表面温度处于15 华氏度下，不致对装备造成损伤；2）选择工作波段。一般波段为8 ～ 12μm；3）调节分辨率。红外热像仪温度分辨率0 .1℃，空间分辨率1.2 mrad；4）选取图像采集速率和记录间隔。根据不同的应用背景选择不同的检测速率，图像采集速度25帧/秒，每经过6 ～ 15 秒的间隔记录一次温度。热波成像可将热扩散数据汇编成真实可读的图像；5）结果判定与处理。如果外表面下存在腐蚀缺陷，就会呈现出表面温度以不同的速率发生变化，图像不同。 3.3 方法特点 1）检测图像清晰、功能强。这种方法证实了它比其它方法（如X 射线法）功能更加强大，一个典型的例子是在石墨/铝蜂窝壁板下植入的聚四氟乙烯物体的影像，分别通过X 射线和温度记录法进行测量，X 射线法只能显示朦胧的物体影像，而温度记录法显现的影像十分清晰。 2）检测速度快、可靠。温度记录法与其它方法比较也有优越性，例如采用超声法检测舰艇腐蚀缺陷需要数月，而采用新法仅需28 天，且腐蚀的检出率提高了40 %。热波成像检测也存在一些亟待解决的问题， 如缺陷的定量化分析、红外热图象的处理和缺陷的识别以及检测分辨力等。这些问题当中棘手的是检测分辨力，利用单脉冲加热红外热成像技术，试验中能探测的缺陷深度比较小，一般在3 ～ 4 mm 左右。目前国外有人使用多脉冲加热技术进行红外热成像无损探伤，对于铜试件和石墨试件，探测深度可分别达到5 mm 和7 mm 。3.4 应用 以往红外热像技术首先在军事领域获得应用，德国在第二次世界大战中率先装备了红外夜视仪、红外通讯设备等。世界上台商用红外热像仪于20 世纪60 年代由瑞典的AGA 公司研制，美国是目前红外热像技术为先进的国家，绝大多数的红外热像仪器供应商也集中在美国。红外热像技术的应用研究美国为活跃，其次是瑞典、英国和日本等国家。我国对红外技术的研究起步于建国初期，目前我国能自行研制生产多种型号的制冷红外热像仪，全国首台非制冷FPA 红外热像仪已于2001 年由华中光电研究所研制成功，并投入批量生产。这些成果的取得，标志着我国将结束红外热像仪长期依赖进口的局面，同时也意味着，红外热像仪产品价格的下降，应用领域的进一步扩大。已有多种探测军事装备腐蚀缺陷与内部缺陷的方法，其中红外线、X 射线法、超声波法都已广为人知。对试件进行加热的红外检测属于主动式红外检测，依靠物体自身热辐射而对其温度场被动成象的红外检测属于被动式红外检测。被动式红外检测在工业上用于设备、构件等的热点检测外，在军事上应用如红外夜视仪、红外瞄准镜等， 在医学上可应用于检查人体温度异常区域。但热波成像这种脉冲温度记录法无损检测技术具备独特的特征，因而广泛适用于国防工业军事装备。美国北卡罗来纳州的海空军械库的Richard Wood 称，热波成像系统在该军械库已成功使用5 年以上。在当今数字化世界中，所有的图形均以数据为基础。随着半导体技术和计算机技术日新月异、突飞猛进的发展，红外热像仪的硬件性能日益提高、软件功能不断完善。目前红外热像仪所达到的空间分辨率<0.1 mrad 、目标斑点尺寸0 .000 3″、帧频1 400 帧/秒、温度分辨率<0 .001 ℃、探测元数量106 个， 测温上限3 600 ℃、像素>512 （H）×512（V）， 并集成功能强大的图像分析与处理软件， 如图像边缘自动检测与增强、任意点的目标辐射率自动校正、图像分割、红外热像序列图的比较运算等。4 军事装备腐蚀检测潜在应用技术 一种新的自动电化学监测技术在石油领域已经过现场验证，采用该技术可以对管线的腐蚀进行评估，并实时监测腐蚀情况的变化。在军事装备腐蚀检测方面，下面是5 类未来可望应用的潜在技术。4.1 电化学技术 电化学阻抗谱（EIS）。Bard 于1982 年首次将EIS 引入导电高分子的研究领域。许多学者应用EIS对各类导电高分子体系进行了广泛的研究，不适合于实际的现场腐蚀监测。人们针对大多数腐蚀体系的阻抗特点，通过适当选择2 个频率，来监测金属的腐蚀速率，并设计和制造了自动交流腐蚀监控器。 电化学噪声技术。电化学噪声是指电化学动力系统中，其电化学状态参量（如：电极电位、外测电流密度等）的随机非平衡波动现象。这种噪声产生于电化学系统的本身，而不是来源于控制仪器的噪音或是其它的外来干扰。1968 年Ive rson 首次记录了腐蚀金属电极的电位波动现象，电化学噪声技术作为一门新兴的实验手段在腐蚀与防护科学领域得到了长足的发展。4.2 薄层活化技术 通过带电粒子活化或中子活化等核反应方法，适合应用于难以接触到被测表面或被测表面被重叠结构覆盖的部位，同常规的检测方法相比，薄层活化法是非接触式无损远程监测磨损、腐蚀和冲蚀等材料表面的剥蚀。20 世纪70 年代，美国、英国、德国、日本等发达国家对TLA 技术进行了深入的开发并成功地在商业领域中进行了推广应用。与此同时，发展中国家也在实验室里引进了该技术对磨损腐蚀现象进行研究。薄层活化技术在检测由于磨损或腐蚀而导致材料剥落方面是一种非常有效的技术，作为在线腐蚀监测技术，TLA 能够对运行的装备提供可靠的磨损或腐蚀评价。4.3 场图像技术 场图像技术（电指纹法）是通过在给定范围进行相应次数的电位测量，对局部现象进行监测和定位。独特之处在于将所有测量的电位同监测的初始值相比较，这些初始值代表了部件初的几何形状， 可以将它看成部件的“指纹”。运用该方法对腐蚀速度的测量是在管道或容器壁上进行，而不用小探针或试片测试。其敏感性和灵活性要比大多数非破坏性试验好。此外该技术还可以对不能触及部位进行腐蚀监测，例如对具有辐射危害的核能发电厂设备的危险区域裂纹的监测等。4.4 光电化学与拉曼光谱 光电化学方法是一种原位研究方法，对于表征钝化膜的光学和电子性质、分析金属相合金表面层的组成和结构以及研究金属腐蚀过程均有很好的效果。作为一种在微米及纳米尺度范围内研究光电活性材料及光诱导局部光电化学的新技术，激光扫描光电化学显微技术的研究丰富了人们从较微观的角度对金属氧化膜电极、半导体电极表面修饰及腐蚀过程等认识。 激光拉曼光谱在过去的近二十年中越来越广泛地在金属腐蚀研究领域被运用，主要包括用电化学调制的原位表面增强拉曼散射（SERS）对一些重要的缓蚀剂体系的研究和用电化学调制的SERS 、普通拉曼光谱以及其它的原位或准原位拉曼对一些氧化或钝化膜进行表征和研究。近几年， 拉曼光谱已被用于漆膜下金属腐蚀产物的研究， 研究大气腐蚀、局部腐蚀以及测量氧化膜应力的工作也正在探索和进行中。4.5 瞬变电磁与电磁微波技术 利用瞬变电磁（TEM）法检测构件的腐蚀状况，实际所测定的是本体的物性差异。由于瞬变电磁所发射的阶跃脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成，一次发射可以同时包含丰富的信息（如腐蚀、裂纹），可完成不同目的的信息探测， 目前已用于矿物勘探， 所以采用小波分析等技术方法可开发用于检测腐蚀。 微波是一种高频电磁波，其特点是波长短、频率高、频带宽， 它的波长在1 ～ 1000 mm 之间，频率通常为300 MHz ～ 300 GHz 。微波已应用于军事、民用航空复合材料、构件的脱胶等无损检测，基本原理是综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响， 通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。对金属构件，表面发生腐蚀，腐蚀层、缺陷处的介电特性与本体将会产生差异。目前各国重视研究开发隐身技术，应用各种介质对电磁微波的吸收实现隐身，可望借鉴这一原理检测军事装备的腐蚀层。5结语与展望 军事装备腐蚀检测技术并不多，其中热波成像脉冲温度记录法无损检测新技术，可实现大面积检测，速度快、直观，应用范围十分广泛，包括军事装备、航空航天及电力工业，无论如何它对于降低缺陷风险、减少维修费用方面起着至关重要的作用，但并不能代替所有其他诸如X 射线及超声等方法。但对于某些应用场合，特别是对军事装备的腐蚀缺陷更具有其优点。这种新的检测方法的红外热像仪总的发展趋势是：体积更小、质量更轻、环境适应性更强、性价比更高、功能更强大、操作使用更方便，以满足不同用户在不同场合下的使用需求。军事装备腐蚀检测发展的方向是各种腐蚀检测技术优势互补，并开发研究一些潜在应用的腐蚀检测技术。在腐蚀检测仪器方面，与计算机技术和自动控制技术相结合，智能化、可视化与小型化，能现场原位应用的仪器将是主流发展的趋势。
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