碳鋼焊縫的陣列渦流檢測(cè)

鄧 丹，胡振龍，李運(yùn)濤

(1.中國船級(jí)社實(shí)業(yè)有限公司，北京 100006；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

船舶營運(yùn)過程中，長期處于海水浸泡、非常溫等環(huán)境中，焊縫很可能會(huì)發(fā)生材料劣化、蠕變開裂、疲勞斷裂。焊縫表面裂紋作為一種嚴(yán)重威脅船舶安全的缺陷，通常使用磁粉或滲透方法來進(jìn)行檢測(cè)。在船舶建造階段對(duì)船舶焊縫表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)被檢工件表面光照度有要求，檢測(cè)結(jié)果不便于數(shù)字化處理，且由于化學(xué)試劑的使用，檢測(cè)工序?qū)Νh(huán)境有一定污染；在船舶營運(yùn)過程中，對(duì)船舶焊縫表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)時(shí)，除了存在上述建造階段的局限，往往還需要去除焊縫表面涂層來保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，工序繁瑣，檢測(cè)效率低，且檢測(cè)后重涂涂層的防銹蝕效果必然受到影響[1-2]。

渦流檢測(cè)作為一種高效、綠色、環(huán)保的無損檢測(cè)技術(shù)，操作便捷，不需要進(jìn)行表面耦合，適用于大部分條件苛刻的檢測(cè)環(huán)境，在工業(yè)各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[3-4]。在船舶領(lǐng)域，渦流檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是能夠隔著一定厚度的涂層對(duì)焊縫表面與近表面進(jìn)行初步檢測(cè)，世界上幾個(gè)主要船級(jí)社都已認(rèn)可了這種方法，如英國勞氏船級(jí)社、美國船級(jí)社和挪威船級(jí)社等都已發(fā)布了相關(guān)渦流檢測(cè)技術(shù)指導(dǎo)性文件[5]。陣列渦流檢測(cè)將多個(gè)渦流檢測(cè)線圈進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)封裝，借助計(jì)算機(jī)對(duì)激勵(lì)次序進(jìn)行快速控制和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和零件的快速、有效檢測(cè)，是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、智能信號(hào)處理技術(shù)的綜合技術(shù)[6]。

船舶焊縫疲勞裂紋大多發(fā)生于表面，筆者參考標(biāo)準(zhǔn)ASME BPC.—2019:第8條 強(qiáng)制性附錄 X 《陣列渦流檢測(cè)鐵磁性和非鐵磁性焊縫表面開口缺陷》制作對(duì)比試樣，并在此基礎(chǔ)上對(duì)對(duì)比試樣進(jìn)行陣列渦流檢測(cè)試驗(yàn)，研究分析了有無模擬涂層下不同位置刻槽的檢測(cè)能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，陣列渦流檢測(cè)技術(shù)能滿足船舶碳鋼焊縫表面無損檢測(cè)的要求，可檢測(cè)出有危險(xiǎn)性的裂紋缺陷，可穿透表面非導(dǎo)電涂層，特別是在檢測(cè)效率、信號(hào)顯示等方面，陣列渦流檢測(cè)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 帶涂層焊縫陣列渦流檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 檢測(cè)儀器及探頭

陣列渦流檢測(cè)試驗(yàn)采用由Eddyfi公司生產(chǎn)的Ectane型陣列渦流檢測(cè)儀，探頭為ECA-PDD-056-250-032-N03S型襯墊式陣列渦流探頭，檢測(cè)儀器及探頭實(shí)物如圖1所示。所用探頭可適應(yīng)焊縫的走向，線圈直徑為3.5 mm，線圈數(shù)量為32，通道數(shù)量為60(30個(gè)位縱向，30個(gè)位橫向)，可同時(shí)檢測(cè)出不同方向的缺陷，適用于焊縫檢測(cè)區(qū)域?qū)挾?含焊縫和熱影響區(qū))不超過56 mm。

圖1 檢測(cè)儀器及探頭實(shí)物

1.2 對(duì)比試樣的制作

參考標(biāo)準(zhǔn)ASME BPC.—2019:第8條 強(qiáng)制性附錄 X 中對(duì)比試樣制作要求(見圖2)，選用20碳鋼材料制作對(duì)比試樣，分別在焊縫、焊縫熔合線、熱影響區(qū)中加工平底孔和表面刻槽(ASME標(biāo)準(zhǔn)中母材上有4號(hào)、7號(hào)、11號(hào)、16號(hào)和17號(hào)缺陷未涉及該研究，故不做說明)。

圖2 ASME標(biāo)準(zhǔn)中的試樣制作要求示意

20碳鋼對(duì)比試樣焊縫缺陷如圖3所示，其平底孔及刻槽的位置及尺寸如表1所示。

圖3 20碳鋼對(duì)比試樣焊縫缺陷位置示意

表1 20碳鋼對(duì)比試樣焊縫平底孔及刻槽的位置及尺寸 mm

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 無涂層焊縫試樣陣列渦流檢測(cè)試驗(yàn)

2.1.1 工藝參數(shù)設(shè)置原則

(1) 頻率。

頻率選擇時(shí)應(yīng)使提離信號(hào)、其他不希望出現(xiàn)的干擾信號(hào)與缺陷響應(yīng)信號(hào)的相位差最大化。

(2) 相位調(diào)節(jié)。

相位調(diào)節(jié)應(yīng)有利于缺陷響應(yīng)信號(hào)與提離干擾信號(hào)的區(qū)分和識(shí)別，通常將提離信號(hào)的相位調(diào)節(jié)為水平方向。渦流響應(yīng)信號(hào)會(huì)隨著檢測(cè)頻率的改變而變化，在改變檢測(cè)頻率的同時(shí)應(yīng)重新調(diào)節(jié)提離信號(hào)的相位，使其處于水平方向。

缺陷響應(yīng)信號(hào)與提離信號(hào)之間應(yīng)有盡可能大的相位差，必要時(shí)，可通過調(diào)節(jié)缺陷響應(yīng)信號(hào)的垂直、水平比來增大缺陷響應(yīng)信號(hào)與提離信號(hào)間的相位差。

(3) 探頭驅(qū)動(dòng)和探頭增益。

調(diào)節(jié)探頭驅(qū)動(dòng)和探頭增益，直到缺陷基于幅度的數(shù)據(jù)信噪比大于3。

(4) 濾波。

干擾信號(hào)影響檢測(cè)靈敏度時(shí)，可使用濾波方法過濾干擾信號(hào)，保留缺陷信號(hào)。

(5) 調(diào)色板設(shè)置。

調(diào)色板的選擇和調(diào)整，應(yīng)能夠區(qū)分相關(guān)顯示與非相關(guān)顯示信號(hào)。

(6) 編碼器分辨率設(shè)置。

按編碼器標(biāo)識(shí)或校準(zhǔn)結(jié)果設(shè)定編碼器分辨率，所選用編碼器分辨率不應(yīng)超過0.38 mm/采樣點(diǎn)。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

按上述原則進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置，要求對(duì)比試樣上所有平底孔及刻槽缺陷信號(hào)基于幅度的數(shù)據(jù)信噪比不小于3，無涂層20碳鋼對(duì)比試樣渦流檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 無涂層20碳鋼對(duì)比試樣渦流檢測(cè)結(jié)果

由圖4可以看出，20碳鋼對(duì)比試樣焊縫、焊縫融合線、熱影響區(qū)上制作加工的橫向、縱向、45°斜向表面刻槽及平底孔均被檢出。說明試驗(yàn)所采用的陣列渦流檢測(cè)方法能夠滿足對(duì)碳鋼焊縫表面開口缺陷的檢測(cè)要求，并具有以下檢測(cè)特點(diǎn)：① 檢測(cè)結(jié)果包含阻抗平面顯示、時(shí)基信號(hào)顯示、二維C掃描顯示等，數(shù)據(jù)信息豐富；②顯示清晰、直觀，利用二維C掃描顯示可以很直觀地讀出缺陷所處的位置關(guān)系；③ 陣列探頭尺寸較大，掃查覆蓋區(qū)域大，一次檢測(cè)過程相當(dāng)于傳統(tǒng)的單個(gè)渦流檢測(cè)探頭對(duì)部件受檢面進(jìn)行反復(fù)往返步進(jìn)掃描的檢測(cè)過程，檢測(cè)效率高，試驗(yàn)所用陣列探頭的寬度可覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，可同時(shí)兼顧焊縫及熱影響區(qū)區(qū)域的檢測(cè)。

2.2 帶模擬涂層試樣渦流檢測(cè)試驗(yàn)

選用20碳鋼對(duì)比試樣為檢測(cè)對(duì)象，采用陣列渦流檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行不同模擬涂層厚度下的檢測(cè)試驗(yàn)。船殼涂層總厚度一般不超過0.5 mm，為此選用0.5 mm厚的絕緣塑料薄片用于模擬工件表面的油漆涂層(見圖5)。陣列渦流檢測(cè)中，可檢測(cè)的涂層厚度與所選用陣列探頭線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)，該試驗(yàn)采用襯墊式陣列渦流探頭。

圖6 含模擬涂層對(duì)比試樣渦流檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

含模擬涂層對(duì)比試樣渦流檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，檢測(cè)時(shí)將探頭直接放置在20碳鋼焊縫試樣表面，分別選取1，2，3張0.5 mm厚的塑料薄片，放置在焊縫試樣表面，即分別模擬0.5，1.0，1.5 mm厚的涂層。

含0.5 mm厚模擬涂層的20碳鋼對(duì)比試樣陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，可以看出，涂層厚度為0.5 mm時(shí)，除5號(hào)熱影響區(qū)45°刻槽顯示較弱外，對(duì)比試樣上其他刻槽的檢測(cè)未受影響。

圖7 含0.5 mm厚模擬涂層20碳鋼對(duì)比試樣檢測(cè)結(jié)果

含1.0 mm厚模擬涂層的20碳鋼對(duì)比試樣陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，可見，除5號(hào)熱影響區(qū)45°刻槽及6號(hào)焊縫融合線45°刻槽顯示較弱外，對(duì)比試樣上其他刻槽的檢測(cè)未受影響。

圖8 含1.0 mm厚模擬涂層20碳鋼對(duì)比試樣檢測(cè)結(jié)果

含1.5 mm厚模擬涂層的20碳鋼對(duì)比試樣陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，可見對(duì)比試樣上刻槽及平底孔的顯示均很弱。

圖9 含1.5 mm厚模擬涂層20碳鋼對(duì)比試樣檢測(cè)結(jié)果

筆者分析，當(dāng)模擬油漆超過1 mm時(shí)，模擬用塑料薄片加厚后一定程度上不能完全貼合表面，故缺陷顯示不具參考性。模擬涂層與表面貼合的問題使得該位置處的缺陷實(shí)際提離高度比較大，造成該位置缺陷信號(hào)變?nèi)跎踔翢o法檢出，如5號(hào)熱影響區(qū)45°刻槽及6號(hào)焊縫融合線45°刻槽位置。

3 結(jié)語

以20碳鋼焊縫為試驗(yàn)對(duì)象，在焊縫、焊縫融合線、熱影響區(qū)上制作加工橫向、縱向、45°斜向表面刻槽及平底孔，并分別開展無涂層和帶涂層的渦流陣列檢測(cè)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1) 陣列渦流檢測(cè)技術(shù)能滿足船舶碳鋼焊縫表面無損檢測(cè)的要求，可檢測(cè)出有危險(xiǎn)性的裂紋缺陷；相比于其他表面檢測(cè)技術(shù)，陣列渦流檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、數(shù)據(jù)信息豐富、可C 掃成像和易于歸檔等特點(diǎn)。

(2) 陣列渦流檢測(cè)可穿透表面非導(dǎo)電涂層，可穿透的涂層厚度與所選用的陣列探頭線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)，不同位置刻槽的涂層檢測(cè)顯示能力存在區(qū)別，這對(duì)在役船舶的帶涂層焊縫疲勞裂紋檢測(cè)具有參考意義。