船舶無損檢測新技術(shù)

張礪夫，陳 靜，李亞英，鞠婷婷

1大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院；2渤海船舶重工有限責(zé)任公司；3大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院

船舶無損檢測新技術(shù)

張礪夫1，陳 靜1，李亞英2，鞠婷婷3

1大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院；2渤海船舶重工有限責(zé)任公司；3大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院

本文針對(duì)船舶無損檢測，通過對(duì)船舶無損檢測技術(shù)的深入分析，介紹了幾種有可能用于船舶制造的無損檢測新技術(shù)，論述了無損檢測技術(shù)的工作原理和應(yīng)用方法，以及船舶無損檢測技術(shù)在將來船舶建造中的的發(fā)展方向和趨勢。

船舶建造；無損檢測；新技術(shù)

1 無損檢測技術(shù)

無損檢測NDT（Non-Destructive Testing）是指在不損害或不影響被檢測對(duì)象使用性能,不傷害其組織結(jié)構(gòu)的前提下，利用被檢測對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的異常或缺陷所引起的熱、聲、光、電、磁等方面的變化，借助現(xiàn)代化的設(shè)備與技術(shù)，通過物理和化學(xué)等方法進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)被檢測對(duì)象進(jìn)行宏觀缺陷檢測，并對(duì)缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行探查查和評(píng)定的一門學(xué)科。

無損檢測通常是為了達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障工件的使用性能、改進(jìn)制造工藝和降低成本。無損檢測的應(yīng)用和結(jié)果與被檢對(duì)象的材料、形狀、表面狀態(tài)以及需檢出缺陷的性質(zhì)、部位、形狀方向、大小和檢測裝置的關(guān)系很大，而且還受到人員技能、工作狀態(tài)、測量誤差、精度要求、數(shù)據(jù)處理和環(huán)境因素等多方面的影響。

2 船舶無損檢測技術(shù)體系

當(dāng)今的焊接技術(shù)已是現(xiàn)代造船的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，在船體建造中的焊接工時(shí)，占船體建造工時(shí)的30%以上，焊接質(zhì)量是否合格，直接影響了船舶的航行安全和使用壽命[2]。焊接檢驗(yàn)通常分為破壞性檢驗(yàn)和無損壞性檢驗(yàn)兩大類，其中無損檢測技術(shù)是無損壞性檢驗(yàn)中最重要、最常使用的檢測技術(shù)，也是廣泛應(yīng)用于船舶焊接質(zhì)量檢驗(yàn)的最主要的檢測技術(shù)。

根據(jù)物理原理的不同，無損檢測方法多種多樣。目前被廣范應(yīng)用的有五種方法方法：ET（渦流檢測法）、RT（射線照相檢測法）、MT（磁粉檢測法）、PT（滲透檢測法）和UT（超聲波檢測法），這五種方法被稱為無損檢測的五大常規(guī)方法。

3 船舶無損檢測新技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶無損檢測技術(shù)也出現(xiàn)了很多新的進(jìn)步，如相控陣超聲波檢測技術(shù)以及超聲波衍射時(shí)差法檢測技術(shù)等，這些新方法、新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于定位缺陷和定量的準(zhǔn)確性有了極大的提高，既提高了檢測效率和可靠性，又消除了檢測中的不安全因素，同時(shí)還保證了工作環(huán)境不會(huì)受到污染。船舶無損檢測新技術(shù)目前已經(jīng)在某些較大規(guī)模的海洋工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。

3.1 奧氏體不銹鋼焊縫超聲波檢測

在凝固過程中，奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域不會(huì)發(fā)生相變過程，在室溫下其存在方式仍保持鑄態(tài)柱狀?yuàn)W氏體晶粒，而此種柱狀晶粒較為粗大且組織構(gòu)成并不均勻，還具有明顯的各向異性。奧氏體不銹鋼焊縫柱狀晶粒的取向取決于焊道的會(huì)冷卻方向以及其溫度的梯度方向，一般晶粒的生長方向?yàn)檠刂淅鋮s的方向，取向基本與焊材凝固時(shí)的等溫線垂直，堆焊晶粒的取向則基本與母材板垂直，而對(duì)于對(duì)接焊縫晶粒取向基本與其坡口面垂直，對(duì)于此類晶粒，從不同方向探測所引起的衰減與信噪比不同，當(dāng)波束與柱狀晶夾角較小時(shí)其衰減較小、信噪比較高，而當(dāng)波束垂直于柱狀晶時(shí)其衰減較大、信噪比較低，這就是衰減與信噪比的各向異性。對(duì)于這種焊縫以傳統(tǒng)超聲波檢測難以實(shí)施。

由于焊接工藝與規(guī)范存在差異，奧氏體不銹鋼焊縫由手工多道焊接而成，導(dǎo)致焊縫中的不同部位存在不同的組織結(jié)構(gòu)，在這些部位就產(chǎn)生了聲阻抗與聲速的差異，聲束傳播的方向由于聲阻抗與聲速的不同而產(chǎn)生了偏離，從而出現(xiàn)了聲束傳播底波游動(dòng)的現(xiàn)象，底波幅度在不同的部位的差異也比較明顯，這使得對(duì)缺陷進(jìn)行定位檢測非常困難。

所以基于以上的論述，在進(jìn)行奧氏體不銹鋼焊縫超聲波檢測時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

3.1.1 選擇檢測超聲波

超聲波無損檢測中的衰減及信噪比取決于材質(zhì)的晶粒粗細(xì)和超聲波的波長，當(dāng)材質(zhì)的晶粒較粗，波長較短時(shí)，衰減較大，信噪比較低。為了準(zhǔn)確地檢測出奧氏體焊縫中存在的危險(xiǎn)性缺陷，一般在檢測過程中都會(huì)采用縱波斜探頭，從而利用折射縱波來完成檢測，這是由于奧氏體焊縫中存在的這種危險(xiǎn)性缺陷的取向一般會(huì)與檢測面形成一定的角度。同時(shí)，由于奧氏體不銹鋼焊縫晶粒較為粗大，宜選用較低的頻率，通常為0.5－2.5MHz。

3.1.2 奧氏體不銹鋼焊縫檢測對(duì)比試塊

對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測時(shí)，一般使用參考對(duì)比試塊，對(duì)比試塊與被檢測工件的材質(zhì)、幾何形狀以及焊接工藝等方面基本相同或相似，利用對(duì)比試塊上的長橫孔來進(jìn)行調(diào)整。一般情況下對(duì)比試塊的長橫孔的直徑可選擇2mm、3mm、4mm、6mm等幾種，具體的直徑尺寸由設(shè)計(jì)圖中的技術(shù)要求來確定，或通過檢測單位與委托單位協(xié)商確定。

3.1.3 縱波斜探頭探測

對(duì)工件進(jìn)行縱波斜探頭探測時(shí)，一般會(huì)使用一次波而不使用二次波。因?yàn)檎凵洳ㄖ型瑫r(shí)存在縱波和橫波兩種波，在工件中傳播至底面反射后會(huì)產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換，使得波型更為復(fù)雜。因而，一次波之后，示波屏上的雜波漸多，靈敏度降低，進(jìn)行判傷比較困難，即使使用一次波探測，相比使用橫波檢測的方法，對(duì)缺陷與定位的判別也更加困難。

3.2 相控陣超聲波檢測

相控陣超聲波檢測技術(shù)UPA（Ultrasonic Phased Array Testing）又稱相控陣超聲波檢測成像技術(shù)，以UPA－NDT表示，是近年來超聲波檢測領(lǐng)域發(fā)展起來的新技術(shù)，與傳統(tǒng)超聲波檢驗(yàn)相比具有高效、靈活、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1 相控陣超聲波檢測的原理

（1）傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)一般應(yīng)用單聲束掃描成像技術(shù)

①利用超聲換能器（單晶片）固有的幾何超聲束，掃描工件內(nèi)部缺陷；

②根據(jù)缺陷回波的特點(diǎn)，確定缺陷如位置與特征。

（2）相控?zé)o損檢測是多聲束掃描成像技術(shù)

①超聲波檢測使用的探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列；

②陣列單元在發(fā)射電路的激勵(lì)下，以可控相位激發(fā)出超聲波束，使超聲波束在確定聲域處聚焦；

③超聲波相控陣各聲束相位為可控，使用電子控制聚焦焦點(diǎn)。

3.2.2 相控陣檢測中存在的局限性

①選擇檢測對(duì)象時(shí)，具有一定的局限性；

②儀器調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確程度對(duì)檢測結(jié)果的影響較大，且調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜；

③客觀條件對(duì)檢測結(jié)果的影響較大，軌道安裝的精度、工件表面的光滑度以及焊縫工藝的完整性都會(huì)對(duì)檢測的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；

④檢測不同規(guī)格材料及壁厚的焊縫，在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)需要使用不同的對(duì)比試塊；

⑤對(duì)手工電弧焊的檢測的準(zhǔn)確性和可靠性明顯低于對(duì)自動(dòng)焊的檢驗(yàn)。

3.3 超聲波衍射時(shí)差法檢測技術(shù)

超聲波衍射時(shí)差法檢測技術(shù)TOFD（Time of Flight Diffraction）其原理是基于超聲波與被檢測材料缺陷的端部相互作用，其會(huì)在較大的角度范圍內(nèi)發(fā)射出衍射波，一但發(fā)出的衍射波被檢測到就可以確定存在缺陷，而缺陷的高度量值可以利用信號(hào)的傳播時(shí)間差來求得，不需要衍射信號(hào)的幅度而根據(jù)其傳播的時(shí)間來計(jì)算缺陷的尺寸。

為了使缺陷端部產(chǎn)生能夠被接收的衍射波信號(hào)，所使用縱波探頭的指向角一般要較大，這樣就可以在一次掃查過程中檢測一定體積的區(qū)域，但也僅局限于一次掃查可檢測到的體積尺寸。發(fā)射聲脈沖后到達(dá)接收探頭上的第一個(gè)信號(hào)就是在試件兩面下傳播的側(cè)向波，若到達(dá)接收探頭的第二個(gè)信就是底面回波就表示被檢測區(qū)域不存在缺陷，這兩個(gè)信號(hào)一般僅供參考使用。如果不考慮波型轉(zhuǎn)換的因素，由于底波與側(cè)向波分別對(duì)應(yīng)于接收探頭和發(fā)射探頭之間的最長聲程和最短聲程，那么因?yàn)椴牧现腥毕荻a(chǎn)生的一切衍射波信號(hào)都會(huì)在底波與側(cè)向波之間被接收到。

3.4 磁記憶檢測技術(shù)

作為無損檢測領(lǐng)域中一種全新的快速無損檢測技術(shù)，金屬磁記憶檢測技術(shù)利用了磁性金屬材料的磁記憶效應(yīng)對(duì)金屬部件內(nèi)部存在的應(yīng)力集中部位進(jìn)行初步檢測。它克服了在傳統(tǒng)無損檢測過程中存在的某些不足，可以對(duì)磁性金屬構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中部位（初期損傷和失效及微觀缺陷等）進(jìn)行檢測，防止構(gòu)件發(fā)生突發(fā)性的疲勞損傷。

3.4.1 磁記憶檢測的原理

此方法是基于磁致伸縮性質(zhì)。磁致伸縮性質(zhì)即在鐵制工件的變形和應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)發(fā)生磁疇組織定向和重新取向，而這種取向是不可逆的，這種不可逆的磁狀態(tài)變化即使在工作載荷消除后仍然會(huì)保留下來，而且變化程度取決于工件承受的最大應(yīng)力。現(xiàn)代材料科學(xué)和鐵磁學(xué)研究證明，在鐵制工件的運(yùn)行過程中，由于受到工作載荷的作用，使得其內(nèi)部磁疇組織的取向發(fā)生了變化。在地球磁場環(huán)境中，其應(yīng)力集中部位的局部磁場會(huì)表現(xiàn)為異常，形成所謂的“漏磁場”，在去除工件載荷后“漏磁場”仍會(huì)存在，這就是應(yīng)用磁記憶檢測技術(shù)的物理基礎(chǔ)。

3.4.2 磁記憶檢測的特點(diǎn)

①設(shè)備操作容易、簡單輕便、靈敏度高、重復(fù)性能好、可靠性好；

②提離效應(yīng)對(duì)其影響很??；

③被檢測金屬的表面不需要進(jìn)行清理或其他預(yù)處理；

④對(duì)鐵制件進(jìn)行檢測時(shí)，不需要專門的磁化裝置；

⑤能夠發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)缺陷的危險(xiǎn)部位區(qū)域，但不能對(duì)危險(xiǎn)部位進(jìn)行定性與定量地分析出缺陷的形狀、大小及性質(zhì)。

4.結(jié)束語

無損檢測技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、修理過程中的具有廣泛的應(yīng)用,特別無損檢測技術(shù)是船舶修建的質(zhì)量的重要保障,體現(xiàn)了在船舶建造過程中建立一套完整的無損檢測系統(tǒng)是非常必要的。伴隨著中國船舶制造業(yè)的不斷發(fā)展，無損檢測技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用也將會(huì)愈來愈廣泛，技術(shù)要求會(huì)愈來愈高，新的應(yīng)用技術(shù)也會(huì)愈來愈多。

[1]李家偉編著，《無損檢驗(yàn)手冊(cè)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2002年

[2]中國船級(jí)社，《船舶焊接檢驗(yàn)指南》，2008年