船舶無損檢測新技術

張礪夫，陳 靜，李亞英，鞠婷婷

1大連海洋大學航海與船舶工程學院；2渤海船舶重工有限責任公司；3大連海洋大學海洋科技與環境學院

船舶無損檢測新技術

張礪夫1，陳 靜1，李亞英2，鞠婷婷3

1大連海洋大學航海與船舶工程學院；2渤海船舶重工有限責任公司；3大連海洋大學海洋科技與環境學院

本文針對船舶無損檢測，通過對船舶無損檢測技術的深入分析，介紹了幾種有可能用于船舶制造的無損檢測新技術，論述了無損檢測技術的工作原理和應用方法，以及船舶無損檢測技術在將來船舶建造中的的發展方向和趨勢。

船舶建造；無損檢測；新技術

1 無損檢測技術

無損檢測NDT（Non-Destructive Testing）是指在不損害或不影響被檢測對象使用性能,不傷害其組織結構的前提下，利用被檢測對象內部結構存在的異常或缺陷所引起的熱、聲、光、電、磁等方面的變化，借助現代化的設備與技術，通過物理和化學等方法進行分析計算，對被檢測對象進行宏觀缺陷檢測，并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行探查查和評定的一門學科。

無損檢測通常是為了達到保證產品質量、保障工件的使用性能、改進制造工藝和降低成本。無損檢測的應用和結果與被檢對象的材料、形狀、表面狀態以及需檢出缺陷的性質、部位、形狀方向、大小和檢測裝置的關系很大，而且還受到人員技能、工作狀態、測量誤差、精度要求、數據處理和環境因素等多方面的影響。

2 船舶無損檢測技術體系

當今的焊接技術已是現代造船的關鍵工藝技術之一，在船體建造中的焊接工時，占船體建造工時的30%以上，焊接質量是否合格，直接影響了船舶的航行安全和使用壽命[2]。焊接檢驗通常分為破壞性檢驗和無損壞性檢驗兩大類，其中無損檢測技術是無損壞性檢驗中最重要、最常使用的檢測技術，也是廣泛應用于船舶焊接質量檢驗的最主要的檢測技術。

根據物理原理的不同，無損檢測方法多種多樣。目前被廣范應用的有五種方法方法：ET（渦流檢測法）、RT（射線照相檢測法）、MT（磁粉檢測法）、PT（滲透檢測法）和UT（超聲波檢測法），這五種方法被稱為無損檢測的五大常規方法。

3 船舶無損檢測新技術

隨著科學技術的飛速發展，船舶無損檢測技術也出現了很多新的進步，如相控陣超聲波檢測技術以及超聲波衍射時差法檢測技術等，這些新方法、新技術的應用對于定位缺陷和定量的準確性有了極大的提高，既提高了檢測效率和可靠性，又消除了檢測中的不安全因素，同時還保證了工作環境不會受到污染。船舶無損檢測新技術目前已經在某些較大規模的海洋工程項目中得到了應用和驗證。

3.1 奧氏體不銹鋼焊縫超聲波檢測

在凝固過程中，奧氏體不銹鋼焊縫區域不會發生相變過程，在室溫下其存在方式仍保持鑄態柱狀奧氏體晶粒，而此種柱狀晶粒較為粗大且組織構成并不均勻，還具有明顯的各向異性。奧氏體不銹鋼焊縫柱狀晶粒的取向取決于焊道的會冷卻方向以及其溫度的梯度方向，一般晶粒的生長方向為沿著其冷卻的方向，取向基本與焊材凝固時的等溫線垂直，堆焊晶粒的取向則基本與母材板垂直，而對于對接焊縫晶粒取向基本與其坡口面垂直，對于此類晶粒，從不同方向探測所引起的衰減與信噪比不同，當波束與柱狀晶夾角較小時其衰減較小、信噪比較高，而當波束垂直于柱狀晶時其衰減較大、信噪比較低，這就是衰減與信噪比的各向異性。對于這種焊縫以傳統超聲波檢測難以實施。

由于焊接工藝與規范存在差異，奧氏體不銹鋼焊縫由手工多道焊接而成，導致焊縫中的不同部位存在不同的組織結構，在這些部位就產生了聲阻抗與聲速的差異，聲束傳播的方向由于聲阻抗與聲速的不同而產生了偏離，從而出現了聲束傳播底波游動的現象，底波幅度在不同的部位的差異也比較明顯，這使得對缺陷進行定位檢測非常困難。

所以基于以上的論述，在進行奧氏體不銹鋼焊縫超聲波檢測時應注意以下幾點：

3.1.1 選擇檢測超聲波

超聲波無損檢測中的衰減及信噪比取決于材質的晶粒粗細和超聲波的波長，當材質的晶粒較粗，波長較短時，衰減較大，信噪比較低。為了準確地檢測出奧氏體焊縫中存在的危險性缺陷，一般在檢測過程中都會采用縱波斜探頭，從而利用折射縱波來完成檢測，這是由于奧氏體焊縫中存在的這種危險性缺陷的取向一般會與檢測面形成一定的角度。同時，由于奧氏體不銹鋼焊縫晶粒較為粗大，宜選用較低的頻率，通常為0.5－2.5MHz。

3.1.2 奧氏體不銹鋼焊縫檢測對比試塊

對奧氏體不銹鋼焊縫進行檢測時，一般使用參考對比試塊，對比試塊與被檢測工件的材質、幾何形狀以及焊接工藝等方面基本相同或相似，利用對比試塊上的長橫孔來進行調整。一般情況下對比試塊的長橫孔的直徑可選擇2mm、3mm、4mm、6mm等幾種，具體的直徑尺寸由設計圖中的技術要求來確定，或通過檢測單位與委托單位協商確定。

3.1.3 縱波斜探頭探測

對工件進行縱波斜探頭探測時，一般會使用一次波而不使用二次波。因為折射波中同時存在縱波和橫波兩種波，在工件中傳播至底面反射后會產生波形轉換，使得波型更為復雜。因而，一次波之后，示波屏上的雜波漸多，靈敏度降低，進行判傷比較困難，即使使用一次波探測，相比使用橫波檢測的方法，對缺陷與定位的判別也更加困難。

3.2 相控陣超聲波檢測

相控陣超聲波檢測技術UPA（Ultrasonic Phased Array Testing）又稱相控陣超聲波檢測成像技術，以UPA－NDT表示，是近年來超聲波檢測領域發展起來的新技術，與傳統超聲波檢驗相比具有高效、靈活、可靠等優點。

3.2.1 相控陣超聲波檢測的原理

（1）傳統的超聲波檢測技術一般應用單聲束掃描成像技術

①利用超聲換能器（單晶片）固有的幾何超聲束，掃描工件內部缺陷；

②根據缺陷回波的特點，確定缺陷如位置與特征。

（2）相控無損檢測是多聲束掃描成像技術

①超聲波檢測使用的探頭是由多個晶片組成的換能器陣列；

②陣列單元在發射電路的激勵下，以可控相位激發出超聲波束，使超聲波束在確定聲域處聚焦；

③超聲波相控陣各聲束相位為可控，使用電子控制聚焦焦點。

3.2.2 相控陣檢測中存在的局限性

①選擇檢測對象時，具有一定的局限性；

②儀器調節的準確程度對檢測結果的影響較大，且調節過程比較復雜；

③客觀條件對檢測結果的影響較大，軌道安裝的精度、工件表面的光滑度以及焊縫工藝的完整性都會對檢測的結果產生一定的影響；

④檢測不同規格材料及壁厚的焊縫，在進行校準時需要使用不同的對比試塊；

⑤對手工電弧焊的檢測的準確性和可靠性明顯低于對自動焊的檢驗。

3.3 超聲波衍射時差法檢測技術

超聲波衍射時差法檢測技術TOFD（Time of Flight Diffraction）其原理是基于超聲波與被檢測材料缺陷的端部相互作用，其會在較大的角度范圍內發射出衍射波，一但發出的衍射波被檢測到就可以確定存在缺陷，而缺陷的高度量值可以利用信號的傳播時間差來求得，不需要衍射信號的幅度而根據其傳播的時間來計算缺陷的尺寸。

為了使缺陷端部產生能夠被接收的衍射波信號，所使用縱波探頭的指向角一般要較大，這樣就可以在一次掃查過程中檢測一定體積的區域，但也僅局限于一次掃查可檢測到的體積尺寸。發射聲脈沖后到達接收探頭上的第一個信號就是在試件兩面下傳播的側向波，若到達接收探頭的第二個信就是底面回波就表示被檢測區域不存在缺陷，這兩個信號一般僅供參考使用。如果不考慮波型轉換的因素，由于底波與側向波分別對應于接收探頭和發射探頭之間的最長聲程和最短聲程，那么因為材料中缺陷而產生的一切衍射波信號都會在底波與側向波之間被接收到。

3.4 磁記憶檢測技術

作為無損檢測領域中一種全新的快速無損檢測技術，金屬磁記憶檢測技術利用了磁性金屬材料的磁記憶效應對金屬部件內部存在的應力集中部位進行初步檢測。它克服了在傳統無損檢測過程中存在的某些不足，可以對磁性金屬構件內部的應力集中部位（初期損傷和失效及微觀缺陷等）進行檢測，防止構件發生突發性的疲勞損傷。

3.4.1 磁記憶檢測的原理

此方法是基于磁致伸縮性質。磁致伸縮性質即在鐵制工件的變形和應力集中區域會發生磁疇組織定向和重新取向，而這種取向是不可逆的，這種不可逆的磁狀態變化即使在工作載荷消除后仍然會保留下來，而且變化程度取決于工件承受的最大應力。現代材料科學和鐵磁學研究證明，在鐵制工件的運行過程中，由于受到工作載荷的作用，使得其內部磁疇組織的取向發生了變化。在地球磁場環境中，其應力集中部位的局部磁場會表現為異常，形成所謂的“漏磁場”，在去除工件載荷后“漏磁場”仍會存在，這就是應用磁記憶檢測技術的物理基礎。

3.4.2 磁記憶檢測的特點

①設備操作容易、簡單輕便、靈敏度高、重復性能好、可靠性好；

②提離效應對其影響很小；

③被檢測金屬的表面不需要進行清理或其他預處理；

④對鐵制件進行檢測時，不需要專門的磁化裝置；

⑤能夠發現可能出現缺陷的危險部位區域，但不能對危險部位進行定性與定量地分析出缺陷的形狀、大小及性質。

4.結束語

無損檢測技術在船舶設計、生產、使用、修理過程中的具有廣泛的應用,特別無損檢測技術是船舶修建的質量的重要保障,體現了在船舶建造過程中建立一套完整的無損檢測系統是非常必要的。伴隨著中國船舶制造業的不斷發展，無損檢測技術在船舶制造中的應用也將會愈來愈廣泛，技術要求會愈來愈高，新的應用技術也會愈來愈多。

[1]李家偉編著，《無損檢驗手冊》，機械工業出版社，2002年

[2]中國船級社，《船舶焊接檢驗指南》，2008年