超聲波測厚儀在定位鋼板反面結構中的應用

郭 健

(中國船級社青島分社，山東 青島 266000)

超聲波測厚儀在定位鋼板反面結構中的應用

郭 健

(中國船級社青島分社，山東 青島 266000)

針對船舶建造中檢查艙壁甲板兩側結構對位準確性問題，提出了一種操作簡便快捷、適用性強、準確性高的定位鋼板反面結構位置的工藝方法—超聲波測厚儀定位法。從理論分析和實踐驗證的角度論證了超聲波測厚儀定位法的可行性，從而在實際生產中為工藝改進和節省成本提供了有益的參考。

超聲波測厚儀; 定位; 反面結構; 對位; 鋼板

0 引言

船舶建造過程中經常會遇到要求艙壁或甲板兩側的結構精確對位的問題。然而，由于要求對位的結構常常位于鋼板的兩側，無法直接通過測量來檢查，這就為檢查對位準確性帶來了一定的困難。目前,雖然船廠有多種檢查對位的方法,但準確性難以保證。因此,為提高船舶建造質量,有必要研究一種用于艙壁或甲板兩側的結構精確對位的檢查方法。

本文介紹的超聲波測厚儀定位法(以下稱超聲波定位法)，所需工具僅為1臺超聲波測厚儀，可以從鋼板正面準確地定位出鋼板反面的加強結構，而且同樣適用于常見的厚板。

1 船廠常用的檢查方法

目前在船廠常用的檢查方法有以下5種。

1.1 檢查線法

檢查線法要求在結構裝配前畫結構線的同時也畫出檢查線，具有準確直觀的優勢，是目前船廠裝配精度控制的最主要方法。缺點是對船廠質量體系要求高，且檢查線在后續施工中常常被破壞難以識別。

1.2 敲擊法

敲擊法是通過敲擊鋼板聽聲音辨別反面結構的位置。缺點是準確性較低，難以精確定位。

1.3 涂刮法

涂刮法是用粉筆或石筆涂刮鋼板，反面已焊接的結構會顯現在涂刮痕跡上。缺點是板厚超過16 mm時，則很難涂刮出反面結構的痕跡。

1.4 油漆烤痕法

油漆烤痕法是通過在一側烤鋼板，使反面油漆出現烤痕，再以烤痕為參照，測量反面結構的位置。缺點是準確度不高，且會破壞油漆。

1.5 鉆孔法

鉆孔法是在鋼板上鉆個小孔，再以小孔為參考，測量反面結構的位置。缺點是會破壞鋼板。

在實際生產過程中，檢查線常常被破壞，以致無法分辨。尤其對于較厚的板材來講，兩側結構對位情況的檢查就成了困難、繁瑣而且準確性差的工作，例如，船舶主機及輔機基座與反面加強的對位，甲板上系泊設備與甲板下加強的對位等。

2 超聲波測厚儀原理介紹

超聲波測厚儀是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的。當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。

當鋼板的反射面不平行于測厚探頭所在平面時，由于反射的超聲波脈沖回波脫離了探頭的范圍，這時候測厚儀接收不到有效回波，將不顯示示數。

超聲波定位法原理示意圖如圖1所示。圖1顯示，用超聲波測厚儀的探頭在甲板正面掃查，測厚儀將顯示甲板厚度。將探頭按圖示方向緩緩移動，當探頭到達反面結構焊腳根部上方時，測厚儀示數將從甲板厚度變化為無示數；繼續移動探頭，當探頭到達角焊縫熔深處，測厚儀示數將從無示數變化為甲板厚度；繼續移動探頭，按照同樣方法可探測出另一面焊腳的熔深處和根部。這樣就精確定位出角焊縫的位置，從而精確定位出反面結構的位置。

圖1 超聲波定位法原理示意圖

3 試驗驗證

理論上可行，但實際的可操作性和精確度如何，還需要實踐來驗證。為此，作者設計了3組試驗，分別來驗證如下命題。

(1)超聲波脈沖主要是從圓探頭圓心發射的。

(2) 實際探測時檢驗是否具有可行性并且操作簡便。

(3)實際探測的結果是否準確可靠。

試驗1：用厚度試塊驗證超聲波脈沖主要是從圓探頭圓心發射的。

超聲波能量主要集中在聲源正前方以聲軸為中心的主聲束，其余部分聲束的能量很小，可以忽略不計。對于圓探頭來講，超聲波的聲軸為圓心法線，超聲波脈沖沿著圓心法線具有集中指向性，如圖2所示。下面的試驗將驗證這一點。

圖2 圓探頭聲場指向性示意圖

將探頭從試塊中心向外緩緩移動，測厚儀顯示的是試塊厚度。當探頭圓心移出試塊邊緣，測厚儀顯示屏變化為無示數。

試驗結論：超聲波脈沖是從圓探頭圓心發射的，當測厚儀示數發聲變化時，探頭圓心的位置即對應著鋼板反射面變化的位置。

試驗2：在實船上試驗超聲波定位法的可行性和操作簡便性。

在甲板上某絞車基座處測量其反面加強結構的對位情況，如圖3所示。

第1步，定位角焊縫的焊腳根部。在測量部位涂上水作耦合劑，用測厚探頭從反面構件一側開始沿垂直于反面構件的方向緩慢移動，當測厚儀示數從甲板板厚變成無示數時，用短鐵絲標識出探頭圓心的位置。

圖3 實船測量反面結構位置

第2步，定位角焊縫最大熔深位置。繼續緩慢移動探頭，測厚儀持續一段距離無示數。當測厚儀示數從無示數變化為甲板板厚時，用短鐵絲標識下此時探頭圓心的位置。

第3步，定位另一側角焊縫最大熔深位置。繼續緩慢移動探頭，測厚儀持續一段距離一直顯示甲板厚度。當測厚儀示數從甲板板厚變成無示數時，用短鐵絲標識出探頭圓心的位置。

第4步，定位另一側角焊縫焊腳根部。緩慢移動探頭，測厚儀持續一段距離無示數。當測厚儀示數從無示數變化為甲板板厚時，用短鐵絲標識下此時探頭圓心的位置。繼續移動探頭，測厚儀示數始終顯示甲板板厚，則說明已經脫離反面結構區域。

第5步，根據做出的4個標識，來判定反面結構的位置。

試驗結論：實際操作過程簡便，測厚儀示數的變化與理論分析一致，具有簡便可操作性。

試驗3：在實船上驗證超聲波定位法的準確性。

驗證1，對某基座面板下可見的筋板進行超聲波定位，并與實際位置對照，如圖4所示，定位非常準確。

圖4 對某基座面板下的筋板定位

驗證2，對某工藝孔附近的甲板縱骨進行超聲波定位，并與實際構件對照，如圖5所示，定位非常準確。

圖5 對某工藝孔附近的甲板縱骨定位

試驗結論：超聲波定位法準確可靠，可以滿足建造精度的檢測需求。

4 實際應用

在征得船廠、船東的同意后，將超聲波定位法應用于在建3 600 t起重船的吊臂支座、絞車基座、錨機基座等與甲板下加強結構的對位測量。經過培訓的操作人員，在較短的時間內，就能將反面加強結構的位置標記在甲板上，便于檢查驗收。這次測量檢查出了絞車基座及3903吊臂支座與甲板下加強對位偏差超標。船廠根據測量結果對相應加強結構進行了調整。

5 局限性

由于超聲波定位法的原理是通過定位出焊腳的邊界，從而間接定位處反面結構，所以這種方法同樣具有局限性。對于反面結構兩側焊腳大小差別比較大，以及復雜節點處的定位，不夠直觀。這時候就要通過到反面做一些實際觀測，取得焊腳大小以及實際節點的具體數據來輔助測量。

6 結語

需要說明的是，本文僅針對定位填角焊縫的反面結構進行了分析，而對于深熔焊或者全焊透反面結構，其定位過程中示數變化規律又有所不同，本文沒有一一列出。不過， 根據相似的原理和適當的方法，同樣可以較為精確地測量出反面結構的位置。

通過上述理論分析及實船試驗，論證了超聲波定位法在定位鋼板反面結構的應用具有操作簡便快捷、適用性強、結果準確等優勢，是一種值得交流與推廣的工藝方法，對船廠節省人力物力成本，縮短工期，提高建造精度水平都有積極的意義。

[1] 李新. 淺談超聲波測厚[J].無損檢測, 1995, 17(9): 258-259,261.

[2] 林猷文, 張小燕. 超聲檢測技術[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010.

2016-04-28

郭健(1988—)，男，注冊驗船師，從事船舶及海洋工程項目建造及營運檢驗工作。

U671.99

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