TOFD超聲檢測技術在超大型集裝箱船的應用

易一平， 張　斌， 陸雷俊， 吉莉紅

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 2000137)

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TOFD超聲檢測技術在超大型集裝箱船的應用

易一平1， 張斌2， 陸雷俊1， 吉莉紅1

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 2000137)

按照國際船級社協(xié)會的最新要求，在超大型集裝箱船的建造過程中,需要運用TOFD超聲檢測技術對大厚度高強鋼焊縫進行內在質量檢測。該文介紹了某船廠于2013年～2015年期間,在18 000 TEU船建造過程中，成功使用TOFD檢測這一技術,并在多方的合作下，檢測過程和結果得到了法國船級社和船東的一致認可,達到了滿意的應用效果。本次TOFD檢測的成功應用，為船舶行業(yè)超大型集裝箱船TOFD檢測的應用積累了工藝參數(shù)和實踐經(jīng)驗，有助于推動該項技術在相關行業(yè)和領域的多用途應用。

超大型集裝箱船TOFD檢測高強鋼大厚度焊縫

0　前言

超大型集裝箱船的建造和使用在技術上有著很多的技術難點需要我們去攻克。 就無損檢測而言，船體結構的不斷創(chuàng)新、高強鋼的大量使用、鋼材厚度的不斷增加都是我們需要關心和面對的，在建造過程中大量的新技術被使用，其中包括Time of Flight Diffraction Technique TOFD超聲檢測技術(以下簡稱TOFD檢測)。

2014年～2015年間,國內某造船廠在建造18 000 TEU集裝箱船時，應用了TOFD檢測,本文介紹了超大型集裝箱船船體結構焊縫TOFD檢測應用中部分工藝選擇、應用效果等情況。

TOFD檢測技術即衍射時差法檢測技術，是上個世紀七十年代在國際原子能中心的(英國哈韋爾原子能權威人士——Dr. Silk)提議下發(fā)展而來。

本世紀初，國內開始研究和應用該技術。結果表明，能對缺陷進行精準測量，在檢測精度、可靠性、降低成本、提高效率、環(huán)境保護等各個方面，TOFD技術的表現(xiàn)均十分優(yōu)異。TOFD檢測在缺陷檢出率和可靠性上明顯高于傳統(tǒng)的超聲檢測和射線檢測，并在誤檢漏檢的指標上，低于傳統(tǒng)的超聲和射線檢測[1]。

1　超大型集裝箱船TOFD檢測的應用需求分析

超大型集裝箱船18 000 TEU在主甲板及艙口圍區(qū)域(見圖1)大量使用了EH40及EH47高強鋼，這些鋼材屬于TMCP鋼(控制軋制和控制冷卻技術)。按照設計，其板材的使用厚度達到了85 mm。

EH40及EH47高強鋼力學性能如表1所示。高強鋼的疲勞強度較差，尤其是當船體發(fā)生波激振動時。同時，高強鋼對焊接加工的工藝要求也更高[2]。

圖1　18 000 TEU主甲板及艙口圍示意圖

表1　EH40及EH47鋼材的力學性能分析表

按照國際船級協(xié)會IACS UR-S33 Requirements Concerning Strength of Ships(船舶強度的要求)規(guī)定[3]，對于大于50 mm的高強鋼焊縫需要做TOFD檢測。

根據(jù)以上信息，我們發(fā)現(xiàn)在超大型集裝箱船中TOFD檢測有如下應用。

(1) 在建造期間可對大于50 mm的高強鋼焊縫缺陷的存在做精準的測量。

(2) 在交船后的在役檢查中，跟蹤大于50 mm的高強鋼焊縫缺陷的發(fā)展，為船舶的安全使用提供基礎數(shù)據(jù)。

(3) 其他壁厚大于16 mm的船體結構焊縫，在用戶有需求的情況下做TOFD檢測或替代射線檢測。

超大型集裝箱船具備明顯的規(guī)模經(jīng)濟，而且環(huán)保性更好。伴隨著這一新型船舶的大量建造使用，TOFD超聲檢測技術的應用場合越來越多，在對缺陷的跟蹤檢測中，顯示出越來越重要的優(yōu)越性，并且可以擴展應用到其他重要場合。

2　TOFD檢測應用部分工藝選擇

考慮到是首次在超大集裝箱船上應用TOFD檢測工藝，各方對引用的標準和相關的工藝方法、參數(shù)進行了充分的論證和現(xiàn)場驗證，最終確定本次TOFD檢測運用的相關內容。

2.1參考及引用的標準

IACS UR S33在條文中規(guī)定了大于50 mm的高強鋼增加做TOFD檢測，但沒有規(guī)定引用和驗收的標準。我們在選擇TOFD檢測工藝規(guī)程時，參考了BS、ISO、ENV、NB、NEN、ASME的文獻和標準。

經(jīng)過和法國船級社BV的多次溝通，本次TOFD檢測工藝規(guī)程編制的主要依據(jù)選擇為：

(1) BS 7706-1993；

(2) ISO 15626-2011；

(3) ISO 10863-2011；

(4) ASTM-E2373-09。

2.2TOFD檢測技術的聯(lián)合應用

現(xiàn)場應用時采用TOFD+手工UT掃查相結合的方式進行聯(lián)合應用。手工UT的聯(lián)合應用主要用于:

(1) TOFD檢測在實際應用中，考慮到上下表面盲區(qū)及橢圓形定位的弱勢影響，采用K1或其他角度探頭，對焊縫上下表面進行檢測，必要時，采用磁粉檢測補充檢測，如圖2所示；

(2) 一般非平行掃查能快速檢測，但缺陷的位置需要平行掃查才能精準分析，在這種情況下，采用手工UT檢測可以快速對缺陷的大致位置進行定位，從而提高TOFD檢測的效率，如圖2所示；

圖2　TOFD檢測聯(lián)合應用示意圖

(3) 對TOFD檢測圖譜顯示有橫向裂紋傾向的焊縫區(qū)域，采用平行或斜平行手工UT檢測(見圖3)，用以印證TOFD檢測的結果，積累檢測經(jīng)驗。

圖3　平行或斜平行UT檢測示意圖

2.3TOFD檢測應用儀器及器材選用

TOFD檢測應用系統(tǒng)一般包括TOFD檢測儀、探頭及掃查器、對比試塊、模擬試塊等。其中，超聲檢測儀用于對相關信號進行處理，并以數(shù)據(jù)文件、直觀圖像進行顯示和存儲；探頭及掃查器用于發(fā)射采集信號，并按照布置排列進行信號的規(guī)則輸入輸出；模擬試塊用于校準系統(tǒng)性能測定和靈敏度設置，模擬試塊用于在儀器設置完成后，利用已知的特定反射體確定超聲檢測儀處于一定的置信條件下。

TOFD檢測是一項新興技術,相關標準對設備和試塊的規(guī)定也各不相同。在本次工藝的執(zhí)行過程中，基于選定的檢測標準，在應用中選用的儀器和試塊如下。

本次工藝開發(fā)選用的機器為：OMNISCAN MX2。該機器相對常規(guī)TOFD檢測儀具有以下優(yōu)勢。

(1) 多組TOFD檢測布局,可用于大厚度焊縫的一次檢測及一次顯示。

(2) 信噪比更佳，可檢測多種不同材料。

(3) 探頭中心矩的自動校準，可簡化校準流程。

(4) 直通波拉直，可方便數(shù)據(jù)解讀，有助于對缺陷的精準測量評價。

本次工藝開發(fā)選用的試塊有模擬試塊、對比試塊和專用試塊。

模擬試塊：有6個參考反射體，其中5個是側邊鉆孔，1個是設置在底部的矩形槽，如圖4所示。

圖4　TOFD 檢測的模擬試塊

本次開發(fā)的TOFD工藝選用的模擬試塊中的反射體形狀、尺寸、位置、數(shù)量應符合ISO10863-2011有關規(guī)定。

對比試塊(焊接缺陷)：對比試塊中的缺陷類型應為工件中易出現(xiàn)的典型焊接缺陷，缺陷性質有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、未焊透等。對比試塊中的缺陷位置應具有代表性，至少應包含上表面、下表面和內部。若對比試塊可倒置，則可用一個表面缺陷同時代表上、下表面，如圖5所示。

圖5　TOFD檢測的對比試塊

對比試塊的使用可以使校準后的TOFD檢測系統(tǒng)在含有自然缺陷的試板上得到相關圖像資料，盡量避免在現(xiàn)場產(chǎn)生誤判和漏判，進一步提高TOFD檢測結果的可靠程度。

專用試塊：鑒于高強鋼的焊縫有裂紋、橫向裂紋的傾向，專用試塊對表面盲區(qū)及橫向裂紋進行實際測定。

專用試塊設有5個(深度2～50 mm)縱向的尖角矩槽形反射體、1個橫向尖角矩槽形反射體、5個側邊鉆孔(深度2～50 mm)。

2.4大厚度焊縫TOFD檢測應用

當工件厚度大于50 mm時，在厚度方向分成若干區(qū)域采用不同設置的探頭對其進行檢測(見圖2)。分區(qū)檢測可以使用多通道檢測設備一次完成掃查；也可使用單通道檢測設備，采用不同的探頭設置進行多次掃查。兩種情況下，探頭聲束在所檢測區(qū)域高度范圍內相對聲束軸線的聲壓幅值下降均不應超過12 dB(聲束在深度方向至少覆蓋相鄰分區(qū)在壁厚方向上高度的25%)。同時，檢測工件底面的探頭聲束與底面法線間夾角不應小于40°。

在現(xiàn)場實際TOFD超聲檢測中，我們選用的儀器具有多組TOFD布局，可以直接顯示多組不同深度的TOFD圖像。這樣可以在不同深度方向上實現(xiàn)一次成像并滿足聲束在深度方向至少覆蓋相鄰分區(qū)在壁厚方向上高度的25%的要求，如圖6所示。

圖6　雙組通道顯示示意圖

2.5不等厚度板材焊縫

常規(guī)TOFD超聲檢測采用的掃查方式為對稱非平行掃查，即焊縫中心線和探頭對稱中心重合，這種掃查方式能快速檢測，可大致確定缺陷的長度和自身高度。但是當焊縫兩側母材厚度不同時，如采用常規(guī)的對稱非平行掃查，會導致缺陷的顯示長度和顯示自身高度產(chǎn)生偏差，并且造成漏檢。在這種情況下一般采取以下兩種辦法解決：

(1) 如圖7所示，當焊縫兩側不等厚且不采用斜邊處理的情況下(一般厚度差小于5 mm或者20%的情況下采用不削邊處理)，一般采用非平行偏置進行快速掃查。厚邊一側的偏移量按照計算所得，一般要以聲束中心線與焊縫中心線的交點在焊縫深度的2/3處為宜。

圖7　不削邊非平行掃查

(2) 當焊縫兩側不等厚且采用斜邊處理的情況下(一般厚度差大于5 mm或者20%的情況下采用削邊處理)，如圖8～圖11所示，一般采用非平行偏置進行快速掃查。厚邊一側的偏移量按照計算所得，一般要以聲束中心線與焊縫中心線的交點在焊縫深度的2/3處為宜。

圖8　非平行掃查(在斜邊面)

圖9　非平行掃查(在厚壁側)

圖10　非平行掃查(在厚壁側非中心)

圖11　非平行掃查(在平面?zhèn)?

3　TOFD檢測在超大型集裝箱船上的應用

考慮到TOFD檢測技術是首次應用在超大型集裝箱船上，我們對推進該項新技術的應用制訂了應用流程，明確各部門的分工。流程從確定應用需求開始，經(jīng)過工藝技術文件、器材、人員、現(xiàn)場驗證、現(xiàn)場檢測等步驟，層層推進，穩(wěn)步做好各項工作。

3.1TOFD檢測在超大型集裝箱船建造上的應用

本次TOFD檢測流程在相關專業(yè)人員的努力下，在人員、設備、附材方面進行精心地準備下，編制的檢測工藝規(guī)程經(jīng)過了修改和現(xiàn)場驗證，于2014年10月08日TOFD檢測工藝順利地通過了BV等相關方專家的認可。

2014年10月9日至2015年3月20日，專業(yè)技術人員對某船進行了TOFD檢測，檢測分為定位抽查檢測和隨機抽查檢測。TOFD檢測數(shù)據(jù)的完整性良好，檢測圖像數(shù)據(jù)丟失量不大于2%。焊縫檢測的具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　某造船廠某船焊縫TOFD檢測數(shù)據(jù)表

筆者對某船RT、UT和TOFD檢測的船體結構焊縫一次合格率進行了統(tǒng)計(見圖12)，發(fā)現(xiàn)在同一現(xiàn)場TOFD檢測發(fā)現(xiàn)的返修缺陷最多。

圖12　一次合格率統(tǒng)計圖

對這些返修缺陷進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其中缺陷長度大于50 mm的缺陷占全部返修缺陷的86%，如圖13(a)所示；缺陷高度大于3 mm的缺陷占全部返修缺陷的55%，如圖13(b)所示。

在返修缺陷返修過程中，發(fā)現(xiàn)了未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷，其中TOFD檢測發(fā)現(xiàn)高度大于3 mm的缺陷大部分為未熔合、長條夾渣缺陷，部分可能存在裂紋傾向。圖14(a)為鏈狀氣孔，圖14(b)為長條夾渣及未熔合。

圖13　返修缺陷占比圖

圖14　典型缺陷圖譜

3.2TOFD檢測在超大型集裝箱船上的應用效果分析

在對某船船體結構焊縫TOFD檢測工藝數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)以下幾點。

(1) TOFD檢測數(shù)據(jù)的完整性良好，檢測圖像數(shù)據(jù)丟失量不大于2%，滿足ISO 10863-2011不大于5%的要求。證明TOFD檢測中掃查及數(shù)據(jù)采集是滿足預定要求的，檢測掃查速度選擇合理，各項工藝參數(shù)選擇恰當。

(2) 如圖12所示，對船體結構焊縫的抽查中，TOFD檢測的焊縫發(fā)現(xiàn)的返修缺陷比射線檢測和超聲檢測多出約50%和300%。排除統(tǒng)計偏差，證明TOFD檢測在船體結構焊縫檢測中發(fā)現(xiàn)缺陷的能力比傳統(tǒng)的超聲和射線更強。不足的是這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)只基于對焊縫的抽查結果，沒有對同一焊縫不同方法檢測結果的對比分析。

(3) 在返修缺陷返修過程中，發(fā)現(xiàn)了未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷，缺陷位置和TOFD檢測圖譜位置基本吻合，證明TOFD檢測對體積型、面積型的缺陷都能發(fā)現(xiàn)并測量，但對面積型缺陷的存在位置及方向不敏感。

(4) 如圖13所示，TOFD檢測發(fā)現(xiàn)長度大于50 mm的返修缺陷，占整體返修缺陷的86%，缺陷高度大于3 mm的返修缺陷占整體返修缺陷的55%。對于超聲檢測和射線檢測而言，考慮到反射波及射線檢測對比度的關系，一些細小的缺陷或細小缺陷的端部可能存在漏檢，而TOFD檢測由于是接收缺陷端部的衍射波，因此其顯示的缺陷指示長度一般大于傳統(tǒng)檢測，能發(fā)現(xiàn)細小缺陷及其端部分叉。

(5) TOFD技術可探測的厚度大，相對同屬二維圖像記錄的射線檢測方法，對大厚度焊縫探傷的檢出率和可靠性明顯優(yōu)于射線檢測，且重復成本遠遠低于射線檢測。

4　應用的安全、經(jīng)濟效益

目前，在對焊縫內部缺陷進行無損檢測中，只有射線檢測和TOFD檢測可以形成紀錄性圖像資料，可供檢查和復核。

TOFD檢測技術在現(xiàn)場應用時，使用的耗材很少，不產(chǎn)生污染，無需射線檢測作業(yè)的安全防護費用，檢測設備重量輕、體積小，減少了腳手架的搭設費用，大批量使用TOFD檢測技術可降低現(xiàn)場的檢測費用和耗材費用。

TOFD檢測為超大型集裝箱船焊縫提供長期保存的數(shù)據(jù)文件。在交船后的在役檢測中，能方便地對焊縫中存在的缺陷進行跟蹤，監(jiān)測這些缺陷的發(fā)展趨勢，給船舶的安全使用提供可靠的基礎數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)惡性事故，有效降低超大型集裝箱船安全成本。

5　結束語

(1) TOFD檢測技術是一項新興的無損檢測技術，其在檢測精度、可靠性、降低成本、提高效率、環(huán)境保護上，相對于傳統(tǒng)檢測有一定優(yōu)勢。TOFD檢測技術在作業(yè)時，不產(chǎn)生污染，具有良好的安全性和經(jīng)濟性。TOFD檢測技術可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的電子存儲，使檢測圖像可以長期保存。

(2) 在超大型集裝箱船建造過程中，對主甲板、艙圍板中厚度板材焊縫內部質量進行檢測時，使用TOFD檢測可以對缺陷進行精準定位，提供給現(xiàn)場詳細的信息；在超大型集裝箱船交船后的在役檢查中，使用TOFD檢測技術可以結合先前的TOFD檢測資料，判斷缺陷的發(fā)展情況，為安全使用提供基礎數(shù)據(jù)。因此，TOFD檢測技術在今后的超大型集裝箱船的建造和使用中有著巨大的市場前景。

(3) 按照現(xiàn)場實際情況，TOFD檢測技術聯(lián)合使用超聲檢測，利用傳統(tǒng)超聲定位的優(yōu)勢，實現(xiàn)對缺陷自身高度和埋藏位置的快速解讀，有助于加快現(xiàn)場TOFD檢測速度，并解決上下表面盲區(qū)的漏檢問題。

(4) TOFD檢測工藝能在超大型集裝箱船上進行現(xiàn)場檢測，檢測發(fā)現(xiàn)超標缺陷的可能性大于傳統(tǒng)的超聲和射線檢測，且可以測量缺陷的高度，為安全性能的評估提供了一種新的方法和手段。

[1]Net N.Advances in TOFD Inspection[EB/OL].Ndt Net.

[2]方箭.超大型集裝箱船結構強度需要關注的幾個問題[J]. 廣東造船，2013(6)：39-40.

[3]IACS UR-S33.Requirements concerning strength of ships[S]. 2014.

[4]British Standards. ISO 10863-2011, Non-detstructive testing of welds-ultrasonic testing-use of time-of-flight diffraction technique(TOFD)[S]. 2011.

[5]BSI.BS 7706-1993 Guide to Calibration and Setting-Up of the Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) Technique for the Detection, Location, and Sizing of Flaws[S]. 1993.

[6]ME Department.Guidelines on the Application of YP47 Steel for Hull Structures of Large Container Carriers[J]. Classnk Technical Bulletin,2008(26):65-68.

Application of TOFD Ultrasonic Testing Technology for Very Large Container Ship

YI Yi-ping1, ZHANG Bin2, LU Lei-jun1, JI Li-hong1

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China;2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

According to the latest requirement from IACS ,in the construction process of the Ultra Large Container Ship(ULCS), the TOFD ultrasonic testing technology is needed to detect the internal quality of high strength steel welds. The technology of TOFD test in the construction process of a shipyard from 2013 to 2015 was introduced, and the detection process and results obtained the Bureau Veritas (BV) and the owner's consistent recognition, and satisfactory results were also achieved. The successful application of TOFD ultrasonic testing in ULCS has accumulated the techniqure parameters and practical experience for the shipbuilding industry, which is helpful to the application of the technology in the related industries and fields.

Ultra Large Container Ship TOFD ultrasonic testingHigh strength steel Large thickness welds

易一平(1972-)，男，高級工程師，上海船舶工程質量檢測有限公司總經(jīng)理，從事檢測技術方面的研究。

U671

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