艉軸管的超聲相控陣檢測

鄧 丹，高翌飛，張澤義，胡躍剛，曹海靜

(1.中國船級社實業(yè)公司無損檢測實驗室, 北京 100006;2.科蘭世檢測技術(shù)(北京)有限公司，北京 100006)

艉軸管的超聲相控陣檢測

鄧 丹1，高翌飛1，張澤義2，胡躍剛2，曹海靜1

(1.中國船級社實業(yè)公司無損檢測實驗室, 北京 100006;2.科蘭世檢測技術(shù)(北京)有限公司，北京 100006)

艉軸管屬于大型管狀鑄鍛件，使用常規(guī)超聲方法對其進行檢測時，內(nèi)壁檢測區(qū)域大，手工檢測效率低，工程實施性差?？紤]到超聲相控陣檢測技術(shù)具有C掃描成像功能、動態(tài)深度聚焦功能及掃查速度快等特點，將相控陣超聲技術(shù)應用于艉軸管的檢測中，并使用常規(guī)超聲檢測對艉軸管進行復檢；對比兩者檢測結(jié)果，驗證了設計的艉軸管超聲相控陣檢測方案是可行、可靠的，并且具有常規(guī)超聲檢測無法比擬的檢測優(yōu)勢。

艉軸管；鑄鍛件；超聲相控陣；常規(guī)超聲

圖1 某艉軸管的實物圖片

船舶軸系是船舶動力裝置的重要組成部分，軸系的構(gòu)件有螺旋槳軸、中間軸、推力軸、軸承、尾管及其密封裝置等。常規(guī)船舶一般為尾機艙，且螺旋槳產(chǎn)生的推力由減速齒輪箱承受，因此軸系中一般僅設尾軸(螺旋槳軸)。艉軸管作為自航船中傳遞力矩最大的構(gòu)件[1]，其質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系到主機的正常運轉(zhuǎn)，還將直接影響船舶的安全航行。艉軸管屬于大型管狀鑄鍛件，一般其內(nèi)孔為等直徑孔，壁厚沿軸線方向變化,圖1為某艉軸管的實物圖片。艉軸管從鑄鍛件廠生產(chǎn)到安裝至船體上的過程中，從對原始柱狀件鏜孔后還需進行兩次車加工：第一次是鏜孔后由廠家粗車；第二次是艉軸管運到船廠之后，在安裝艉軸管的過程中，為實現(xiàn)精確對中，配合軸管直徑大小，還需進行多余厚度的精車。因鑄件本身質(zhì)量不易控制，常在精車過程中出現(xiàn)如氣孔、沙眼、甚至大面積空洞等缺陷。對于艉軸管的內(nèi)在質(zhì)量檢測，目前常用的無損檢測方法為傳統(tǒng)超聲檢測。傳統(tǒng)超聲檢測時，內(nèi)壁檢測區(qū)域大、手工檢測效率低、工程實施性差。

而超聲相控陣檢測技術(shù)具有的C掃描成像功能，可以更直觀地顯示缺陷以及缺陷尺寸，完成對檢測區(qū)域的完整覆蓋；動態(tài)深度聚焦功能可以實現(xiàn)不同深度的聚焦，提高各個檢測位置的靈敏度及信噪比。這兩點對晶粒本身就比較粗糙的艉軸管鑄件來說尤為重要，十分適合于提高缺陷的分辨力[2-4]，而且相控陣線性掃查速度比常規(guī)超聲檢測探頭的光柵掃查速度要快得多，可大幅提高艉軸管的檢測效率。因此，筆者將超聲相控陣檢測技術(shù)應用于艉軸管缺陷的檢測中：首先參考鑄鍛件超聲波檢測及超聲相控陣檢測通用技術(shù)標準[5]，制作對比試塊進行探索性試驗，用以確定合適的檢測器材、耦合劑，以及超聲相控陣的檢測范圍等條件。在此基礎上對艉軸管實物進行正式檢測，以驗證超聲相控陣技術(shù)的實物檢測效果，并使用常規(guī)超聲檢測進行復檢，對比兩者的檢測結(jié)果，最后對超聲相控陣檢測艉軸管技術(shù)的檢測特點、優(yōu)勢等進行分析總結(jié)。

1 艉軸管超聲相控陣檢測系統(tǒng)

1.1 檢測儀器及探頭

艉軸管超聲相控陣檢測試驗采用奧林巴斯公司的超聲相控陣檢測儀Omniscan MX2，配置32/128PR相控陣模塊進行。相比于常規(guī)超聲檢測儀，超聲相控陣檢測儀具有高采集速率和實時彩色成像等功能，檢測結(jié)果可實現(xiàn)S掃、B掃和C掃顯示，可更為有效地進行手動和自動檢測，便于缺陷判讀。鑄鍛件中多數(shù)缺陷的取向具有一定的規(guī)律，即鍛壓后的缺陷以平面型缺陷為主，平面型缺陷的方向與鍛壓方向垂直，因此，鑄鍛件檢測主要使用縱波直探頭進行。艉軸管超聲相控陣檢測試驗采用5L64-A2線掃探頭，配套0°掃查楔塊。超聲相控陣檢測儀Omniscan MX2、5L64-A2線掃探頭和0°掃查楔塊實物圖片如圖2所示。

圖2 檢測儀器、探頭及楔塊實物圖片

1.2 對比試塊的制作 按船廠的檢測要求，對艉軸管內(nèi)壁進行全范圍的掃查，需要全面反映出內(nèi)壁壁厚10～30 mm范圍內(nèi)鑄件的質(zhì)量，參考EN12680-3:2011UltrasonicTestingPart3:SpheroidalGraphiteCastIronCastings標準的規(guī)定，對比試塊反射體類型選為平底孔，起始靈敏度要求至少為φ3 mm平底孔。在與被檢艉軸管工件材質(zhì)、表面粗糙度和聲程相同的對比試塊上加工一組埋深分別為5,10,15,20,25,30 mm的φ3 mm平底孔，以此作為對比試塊。對比試塊中平底孔深度最大為30 mm，滿足了艉軸管的檢測要求。

圖3 掃查器實物圖片

1.3 掃查器

為了實現(xiàn)對艉軸管內(nèi)壁的全范圍自動掃查，設計了具有周向旋轉(zhuǎn)裝置和軸向推進裝置的掃查器，可實現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)和軸向推進動作，掃查器樣機實物圖片如圖3所示。周向旋轉(zhuǎn)裝置加載壁上的安裝孔和彈簧可以調(diào)節(jié)探頭與管內(nèi)壁的接觸力；軸向推進裝置采用四輪組結(jié)構(gòu)，每個輪組均為磁性且接觸面為球面，可與管內(nèi)壁曲面大面積貼合，保證周向旋轉(zhuǎn)時掃查器底座不動和行走時沿軸向直線運動。掃查器的周向編碼分辨率為36步/mm，軸向步進編碼分辨率為999步/mm。

2 檢測試驗與結(jié)果分析

2.1 超聲相控陣檢測試驗

被檢艉軸管長為2 m，直徑為990 mm，將艉軸管按周向和軸向方向劃分為多段，采用超聲相控陣檢測技術(shù)對艉軸管實物內(nèi)壁進行分段掃描檢測，內(nèi)壁掃描展開圖如圖4所示，檢測工藝為：

(1) 檢測探頭為5L64-A2線掃探頭，配合0°掃查楔塊，檢測頻率選用5 MHz。

(2) 耦合劑選用水，耦合效果良好，聲能在界面的損失小。

(3) 相控陣探頭聚焦深度設置為30 mm。

(4) 以5L64-A2探頭在對比試塊上的φ3 mm平底孔上制作的TCG(深度補償)曲線為基準靈敏度，提高12 dB作為表面耦合補償。

(5) 掃查器周向旋轉(zhuǎn)裝置和軸向推進裝置調(diào)整到艉軸管檢測起始位置后，將當前位置設置成相對零點，以后的各種運動都參考零點輸出編碼器的數(shù)值，掃查器周向旋轉(zhuǎn)線速度設置為50 mm·s-1，軸線步進速度為20 mm·s-1。掃查過程中要注意使探頭加載臂處于良好的平衡狀態(tài)，從而保證探頭與工件的耦合效果。

圖4 艉軸管的內(nèi)壁掃描展開圖

經(jīng)檢測，共發(fā)現(xiàn)15處缺陷，缺陷數(shù)據(jù)如表1所示。以3號缺陷的超聲相控陣檢測結(jié)果為例，其對應的相控陣超聲掃描結(jié)果圖像如圖5所示，圓圈內(nèi)分別為該缺陷的A掃(上左)、B掃(上右)及C掃(下部)顯示。

圖5 艉軸管3號缺陷的超聲相控陣掃描結(jié)果

表1 艉軸管超聲相控陣檢測結(jié)果 mm

2.2 與常規(guī)超聲檢測數(shù)據(jù)的對比

將超聲相控陣檢測出的15處缺陷在艉軸管上做好標記，使用常規(guī)超聲檢測技術(shù)對其進行復檢，發(fā)現(xiàn)這15處缺陷均能被檢測出。

將超聲相控陣檢測結(jié)果與常規(guī)超聲檢測得到的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)1～12號，14號、15號缺陷的超聲相控陣和常規(guī)超聲的檢測結(jié)果基本相符，長度誤差在2 mm以內(nèi)；13號缺陷的常規(guī)超聲檢測得到的長度測量值35 mm大于超聲相控陣檢測得到的長度測量值9 mm，這是由于在超聲相控陣檢測得到的13號缺陷的C掃描圖(見圖6)中，相鄰的一些小缺陷顯示可以被明顯地加以區(qū)分出來，從而可得到密集缺陷區(qū)的更準確的缺陷長度方向的尺寸，而常規(guī)超聲檢測結(jié)果主要依靠A掃描視圖，對于艉軸管鑄件內(nèi)密集小缺陷區(qū)的每個缺陷較難區(qū)分，易將相鄰的缺陷計為一個缺陷，因此常規(guī)超聲最后檢測的缺陷長度偏大。

圖6 艉軸管13號缺陷的C掃描圖

總體上，從超聲相控陣和常規(guī)超聲的對比檢測結(jié)果,可驗證筆者設計的艉軸管的超聲相控陣檢測方案是可行、可靠的。

3 結(jié)論

(1) 通過相控陣超聲和常規(guī)超聲的對比檢測結(jié)果，驗證了超聲相控陣檢測技術(shù)對艉軸管檢測的可行性，使用該技術(shù)可有效檢測出艉軸管所關(guān)注區(qū)域的內(nèi)部缺陷。

(2) 配備專門的掃查器，超聲相控陣檢測技術(shù)可對艉軸管實現(xiàn)100%全覆蓋檢測，可全自動掃查并輸出二維位置編碼信息，檢測穩(wěn)定高效、檢測速度快，具有手工檢測無法比擬的優(yōu)勢。

(3) 相比于常規(guī)超聲檢測技術(shù)，超聲相控陣檢測技術(shù)C掃描成像的缺陷檢測方式，缺陷檢出率高，可以從圖像上清晰地分辨出相鄰較近的缺陷，因此可更準確地測量密集缺陷區(qū)的缺陷尺寸。

[1] 張軼清. 船舶艉軸管滑油漏泄污染事故的分析處理[J]. 科技創(chuàng)新，2008(5)：46-47.

[2] 李衍. 取樣相控陣超聲實時三維成像的工業(yè)應用[J]．無損檢測，2011，33(5)：10-13.

[3] 焦敬品，聶紹珉. 相控陣超聲技術(shù)及在大鍛件制造過程監(jiān)控中的應用[C]∥第十二屆全國塑性工程學術(shù)年會暨第四屆全球華人塑性加工技術(shù)研討會論文集.重慶：中國機械工程學會塑性工程分會，2011：252-255.

[4] 靳世久，楊曉霞，陳世利.相控陣超聲檢測技術(shù)的發(fā)展及應用[J].電磁測量與儀器學報，2014，28(9)：925-933.

[5] 崔艷國，黃會婷，吳遠建. 國內(nèi)外鑄鋼件超聲波探傷標準的對比分析[J]. 檢查與測量，2009(1)：45-47.

The Ultrasonic Phased Array Inspection of Stern Tube Shaft

DENG Dan1, GAO Yifei1， ZHANG Zeyi2, HU Yuegang2, CAO Haijing1

(1.CCSNDT Lab., Beijing 100006， China;2. CCSNDT Technologies Ltd., Beijing 100006, China)

As a kind of large tubular casting and forging, the stern tube shaft was usually detected by conventional ultrasonic testing method, resulting to low manual inspection efficiency and poor engineering implementation due to its large inspection area of the inner wall. Considering the C scan imaging function, the characteristics of dynamic depth focusing function and scanning speed of ultrasonic phased array testing technology, the ultrasonic phased array technique is applied to detect such stern tube shafts. Comparison with the results of conventional ultrasonic testing has proven that the designed scheme of ultrasonic phased array for stern tube shaft is feasible, reliable and has incomparable advantages.

stern tube shaft; casting and forging; ultrasonic phased array; conventional ultrasound

2017-05-19

鄧 丹(1987-)，女，碩士，主要從事超聲、電磁無損檢測技術(shù)研究

鄧 丹, ddeng@ccsi.com.cn

10.11973/wsjc201708009

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0037-04