在役纜樁螺栓的相控陣超聲全聚焦檢測(cè)

張國(guó)林, 汪利民, 黃增文

(招商局重工(深圳)有限公司，深圳 518054)

固定纜樁與地面樁基的纜樁螺栓一般服役于高濕高溫的臨水或臨海(高鹽)碼頭，在腐蝕和交變載荷的長(zhǎng)期作用下，極易產(chǎn)生橫向(周向)應(yīng)力腐蝕裂紋。裂紋一旦在使用中產(chǎn)生，極易導(dǎo)致螺栓斷裂，造成重大的損失甚至災(zāi)難性后果。2009年西班牙某港郵輪發(fā)生強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致碼頭纜樁螺栓斷裂事故，造成船艏飄離碼頭、客用舷梯及四人墜海。2010年12月，臺(tái)州某漁船纜樁斷裂，導(dǎo)致一死一重傷的嚴(yán)重后果。以上樁斷裂事故，均是連接纜裝與地面樁基的螺栓發(fā)生斷裂造成的，因此，對(duì)纜裝螺栓進(jìn)行檢測(cè)十分重要。筆者制定了在役纜樁螺栓的相控陣超聲全聚焦(TFM)檢測(cè)工藝，設(shè)計(jì)了檢測(cè)工裝及設(shè)備保護(hù)工裝，利用全數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與分析方法，對(duì)在役纜樁螺栓進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控，為船舶系泊安全保駕護(hù)航。

1 檢測(cè)方案

前述提到事故中，斷裂螺栓的部位為距離螺栓端面130 mm的區(qū)域，經(jīng)分析，失效原因?yàn)槁菟ù嬖谄诟g裂紋。腐蝕先從應(yīng)力集中的螺栓表面開始，逐步向內(nèi)部延伸，直至螺栓斷裂。在役纜樁螺栓深埋在樁基內(nèi)部(見圖1)，大批量地拆除后實(shí)施檢測(cè)不僅會(huì)破壞樁基，而且增加檢測(cè)成本和延長(zhǎng)整個(gè)螺栓的維修周期。因此，在不拆除纜樁樁基的情況下，選擇一種合適的檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)十分重要。

圖1 纜樁及其樁基外觀與結(jié)構(gòu)示意

纜樁螺栓預(yù)埋前一般使用常規(guī)超聲檢測(cè)法檢測(cè)其內(nèi)部缺陷，采用磁粉檢測(cè)法檢測(cè)其表面缺陷。很顯然，這兩種技術(shù)無法符合當(dāng)前檢測(cè)要求。在不拆除纜樁樁基的前提下，磁粉檢測(cè)是無法檢測(cè)螺栓表面的；常規(guī)超聲檢測(cè)很難識(shí)別螺紋回波信號(hào)與缺陷回波信號(hào)，容易造成誤判或漏檢。常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)雖然可以對(duì)螺栓螺紋表面進(jìn)行檢測(cè)，但該方法在成像、聚焦、檢測(cè)能力、分辨力等方面不如相控陣全聚焦技術(shù)(見圖2)。由此可見，采用相控陣全聚焦檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)可以彌補(bǔ)以上技術(shù)的不足，所以筆者將該方法作為首選方法。

圖2 刻槽試塊普通相控陣與TFM圖譜的對(duì)比

相控陣超聲全聚焦技術(shù)[1]包括全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)和全聚焦方法(TFM)，首先利用相控陣探頭依次激發(fā)每個(gè)晶片，同時(shí)所有晶片接收回波信號(hào)，這個(gè)過程為全矩陣數(shù)據(jù)采集過程；其次對(duì)每個(gè)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算疊加，形成高精度的圖像，這個(gè)過程為全聚焦。相對(duì)于普通超聲檢測(cè)技術(shù)和常規(guī)相控陣技術(shù)，該技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)。

(1) TFM技術(shù)具有很高的靈敏度、圖像分辨力[2-3]和信噪比，其擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)分析和處理能力，極大提高了圖像分辨力和信噪比，從而更容易檢測(cè)出缺陷的微小變化，有利于缺陷擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)。采用TFM技術(shù)可清晰區(qū)分螺牙回波與刻槽回波。

(2) TFM技術(shù)提高了對(duì)不同取向缺陷的檢測(cè)能力。使用TFM技術(shù)依次激發(fā)晶片，各晶片同時(shí)處于接收狀態(tài)，其效果相當(dāng)于聲束以不同角度到達(dá)缺陷的反射面，超聲波束與缺陷面積方向近似垂直時(shí)，反射能量最高。

(3) TFM技術(shù)具有圖形識(shí)別上的優(yōu)勢(shì)。普通相控陣超聲檢測(cè)形成的圖像是扇掃圖像，圖譜變形較大，且沒有螺栓的模擬圖，而TFM圖像能直接顯示螺栓的橫截面圖，更容易辨別缺陷的位置。

2 參考試塊制作

目前國(guó)內(nèi)外尚無TFM檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和參考試塊，為滿足實(shí)際檢測(cè)需求并結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，制定了以下相關(guān)的驗(yàn)收參考及校準(zhǔn)試塊標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 螺栓刻槽校準(zhǔn)試塊的制作

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23905-2009 《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè)用試塊》 中對(duì)試塊表面刻槽的加工要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用與被檢纜樁螺栓材料相同(Q235)、尺寸相似(螺栓直徑×螺紋間距為40 mm×4 mm)的絲桿制作螺牙根部刻槽試塊。在加工刻槽前，先對(duì)試塊進(jìn)行全聚焦相控陣超聲檢測(cè)，將儀器靈敏度調(diào)至最高，確保螺牙根部刻槽試塊無可見缺陷回波顯示。檢測(cè)合格后，在絲桿深為10，30，50，70，130，200 mm處的螺紋根部，用直徑為0.2 mm的鉬絲線切割深為2 mm的刻槽，螺牙根部刻槽試塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺牙根部刻槽試塊結(jié)構(gòu)示意

加工后螺栓刻槽試塊的TFM圖譜如圖4所示，可見，螺牙與刻槽的顯示可以清晰分辨。檢測(cè)結(jié)果說明，該技術(shù)可有效發(fā)現(xiàn)2 mm刻槽當(dāng)量的表面缺陷。

圖4 TCG(時(shí)間增益)校準(zhǔn)后螺栓刻槽試塊的TFM圖譜

2.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定

螺栓斷裂部位為纜樁與地面樁基的過渡區(qū)，對(duì)其進(jìn)行返修。首先切割缺陷部位，刨掉缺陷后，開45°坡口，使用手工電弧焊進(jìn)行焊接。返修的焊接區(qū)域及熱影響區(qū)域大致分部在距離螺栓100～160 mm的位置，這部分區(qū)域是螺栓檢測(cè)的關(guān)鍵部位。驗(yàn)收等級(jí)參照焊縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11345-2013 《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》 建立，將2 mm刻槽定義為參考等級(jí)H0(為參考體波幅代號(hào))。根據(jù)螺栓的使用狀態(tài)進(jìn)行分區(qū)驗(yàn)收，區(qū)域分為一般區(qū)域和關(guān)鍵區(qū)域。對(duì)于一般區(qū)域，反射回波高于H0的缺陷，應(yīng)判定為不合格，高于H0-4 dB，應(yīng)予以記錄；關(guān)鍵部位(螺栓與樁基的連接處上下各30 mm的區(qū)域)高于H0的顯示不允許返修，應(yīng)直接換新；對(duì)于返修部位，應(yīng)按原檢測(cè)工藝進(jìn)行復(fù)檢；對(duì)于應(yīng)記錄的部位，由檢測(cè)員進(jìn)行記錄，反饋至纜樁設(shè)備管理部存檔，由管理部組織定期進(jìn)行復(fù)檢。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 螺栓檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

2.3 工裝的研發(fā)

筆者利用3D打印技術(shù)制作出專用的探頭保護(hù)工裝(專利號(hào)：ZL 2021 2 2090370.7)及螺栓掃查工裝(見圖5)。

圖5 纜樁螺栓相控陣全聚焦掃查工裝

探頭保護(hù)工裝的使用，克服了檢測(cè)時(shí)探頭在無保護(hù)下易磨損的缺點(diǎn)，極大地延長(zhǎng)了探頭使用壽命。螺栓掃查工裝則解決了手動(dòng)掃查時(shí)人為因素影響大、缺陷測(cè)量不準(zhǔn)確、采集數(shù)據(jù)不全面、掃查效率低等問題，實(shí)現(xiàn)了高效快捷掃查、全方位采集數(shù)據(jù)，為螺栓缺陷的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了必要條件。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 儀器的校準(zhǔn)

儀器型號(hào)為M2M GEKKO 325，探頭型號(hào)為OLYMPUS A11-5L32(32晶片，孔徑寬度為10 mm，中心距為 0.6 mm，間距為0.1 mm,線陣陣列探頭)，晶片型號(hào)為XAAB-0207 T020932。儀器校準(zhǔn)步驟如下。

(1) 器材配置設(shè)置。包括工件尺寸、探頭配置、掃查器。構(gòu)建螺栓三維結(jié)構(gòu)，輸入螺栓材料、聲速、密度信息；探頭配置選擇實(shí)際使用的探頭信息，脈沖信號(hào)使用脈沖回波收發(fā)模式，打開自動(dòng)濾波，中心頻率選擇5 MHz，采樣頻率選擇100 MHz，激勵(lì)電壓為40 V，脈沖寬度為100 ns；楔塊為平行楔塊，參考點(diǎn)為楔塊中心，楔塊高度為0.5 mm，長(zhǎng)為40 mm，寬為40 mm；掃查器為單軸掃查器，編碼器軸為C1，連接端口為1，編碼器精度為40采樣點(diǎn)/mm，方向?yàn)榉聪颉?/p>

(2) 超聲設(shè)置包括TFM設(shè)置、定量校準(zhǔn)。TFM設(shè)置波型模式為縱波LL；成像參考點(diǎn)為頂端，區(qū)域?qū)挒?50 mm，深為 5 mm，高為200 mm；探頭水平偏移 0 mm，夾角為 90°；視圖布局選擇 TFM 與 TFM 成像。將探頭放置到螺牙根部刻槽試塊上進(jìn)行TCG(時(shí)間增益)校準(zhǔn)，由于螺栓長(zhǎng)度達(dá)230 mm，掃查范圍大，分兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行TCG校準(zhǔn)。第一區(qū)域刻槽深為10，30，50，70 mm，第二區(qū)域刻槽深為130，200 mm。TCG校準(zhǔn)后兩個(gè)區(qū)域的刻槽圖像如前圖4所示。校準(zhǔn)結(jié)束要驗(yàn)證檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的靈敏度是否一致，驗(yàn)證合格后進(jìn)行保存，即完成TFM設(shè)置。

(3) 檢測(cè)設(shè)置包括參考點(diǎn)和掃查軌跡。參考點(diǎn)為頂端中心點(diǎn)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求螺栓端面光滑，無鐵銹，無凹坑及影響探頭移動(dòng)的雜物，無影響檢測(cè)的障礙物。儀器校驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)統(tǒng)一使用機(jī)油作為耦合劑。檢測(cè)時(shí)，在TCG校準(zhǔn)基礎(chǔ)上再增加6 dB作為掃查靈敏度(H0+6dB)。掃查界面至少應(yīng)顯示TFM、TFM成像界面。

4 檢測(cè)結(jié)果及分析

選取2020至2021年度螺栓的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。檢測(cè)螺栓共計(jì)1 500根，排查出90根可疑螺栓，其中不合格8根，換新3根，返修合格5根，需監(jiān)控87根。從2021年年中監(jiān)控至今，經(jīng)歷了一個(gè)臺(tái)風(fēng)季，并未出現(xiàn)纜樁螺栓的斷裂情況。后續(xù)情況還應(yīng)持續(xù)跟蹤監(jiān)控，監(jiān)控周期為兩年。2020至2021年度在役纜樁螺栓的TFM檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示，不合格及部分返修記錄如表2所示(表中C.為裂紋, I. 為未熔合,N.R.D. 為無顯示記錄， Acc.為合格，Rej.為不合格)，其中部分缺陷及返修記錄圖譜如圖7所示。

圖6 2020至2021年度在役纜樁螺栓的TFM檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 部分缺陷及返修記錄圖譜

表2 螺栓不合格顯示及部分返修記錄

對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)裂紋或微小顯示產(chǎn)生的深度基本處于距離螺栓端面100 mm～160 mm的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域在纜樁基座與樁基的接觸面附近，不僅是承受剪切應(yīng)力最強(qiáng)的區(qū)域，而且易受地下潮氣、海水腐蝕?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出的斷裂螺栓及其TFM圖譜如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出的斷裂螺栓及其TFM圖譜

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 對(duì)纜樁螺栓進(jìn)行在役檢測(cè)，極大地縮短了檢測(cè)工期，節(jié)約了檢修成本。

(2) 利用2 mm深的刻槽作為參考基準(zhǔn)，制作螺栓刻槽參考試塊，檢測(cè)結(jié)果表明，實(shí)際裂紋的TFM圖像與試塊刻槽圖像基本一致。

(3) 設(shè)計(jì)的探頭保護(hù)裝置和螺栓專用掃查裝置，不僅可以提高探頭的耦合程度，減少磨損，還可以提高掃查效率。

(4) 利用全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)所有可疑螺栓進(jìn)行監(jiān)控，有效地減少了返修成本。

(5) 利用TFM技術(shù)對(duì)在役纜樁螺栓進(jìn)行檢測(cè)，有力監(jiān)控了筆者公司碼頭纜樁螺栓的質(zhì)量，保證了公司所建造和維修船舶的系泊安全，該技術(shù)值得推廣應(yīng)用。