新型無損檢測技術在船舶建造檢驗中的應用

中國船級社 徐倩倩

新型無損檢測技術在船舶建造檢驗中的應用

中國船級社 徐倩倩

眾所周知，無損檢測是確保船舶結構建造質量必不可少的技術手段，為驗證結構焊接質量符合規范標準要求的評判依據。無損檢測方法有多種，有著各自的優勢和局限。傳統的無損檢測方法包括：滲透檢測、磁粉檢測、射線檢測、超聲檢測、渦流檢測等。作為可以檢測結構內部缺陷的方法，射線檢測和超聲檢測是船舶建造中最常用檢測方法。

射線檢測是以探測試件內部的宏觀集合缺陷，并以膠片的形式作為記錄的一種探測方式。這種方法對氣孔、夾渣的檢出率很高，但對面積型缺陷則容易漏檢，同時，由于射線對人體有危害，因此在使用過程中需要清空場地，很多船廠多選在中午或晚上工人下班休息的時間進行，有一定的局限性。

超聲檢測是利用超聲波的反射現象，最常用的是脈沖回波探傷法，由探頭發出的超聲波脈沖在傳播過程中遇到缺陷返回探頭，并由儀器轉化和記錄這一情況，即可探測缺陷的位置及大小。通常，這種檢測法用于鍛件、焊縫的檢測，可發現工件內部的小裂紋、夾渣、縮孔等缺陷，還可以用來檢測工件的厚度，對人體無害。但對于形狀復雜的工件，超聲波檢測的應用將大為受限，同時對操作者的資質要求和熟練程度也有一定的要求。

除上述常用的檢測方法外，隨著無損檢測技術的不斷發展，在船舶建造中，超聲衍射時差技術（簡稱TOFD技術）和相控陣技術（簡稱PAUT技術）得到越來越多的應用，相比傳統檢測方法更具有多方面的優勢，而逐步被推廣應用。

TOFD檢測技術

20世紀70年代初期，Maurice G.Silk博士和他的團隊在英國哈維爾的無損檢測中心開發了TOFD技術。TOFD是一種基于聲波衍射現象的技術。所謂衍射就是波面遇到障礙物或小孔后通過散射繼續傳播的現象。根據惠更斯原理，媒質上波陣面上的各點，都可以看成是發射子波的波源，而從波陣面上各點發出的許多次波所形成的包絡面，就是原波面在一定時間內所傳播到的新波面。

TOFD技術采用一發一收兩個寬帶窄脈沖探頭進行檢測，探頭相對于焊縫中心線對稱布置。發射探頭產生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面傳播被接收探頭接收，部分波束經底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。

TOFD優點是重復性強、精確度高、檢測速度快、覆蓋范圍廣，可存儲數據，采用D掃描成像，判斷更直觀，能發現各種類型缺陷，不受缺陷縱向影響。但缺點是信號弱，近表面存在盲區，需要和其他檢測方法同時使用，保證其檢測的覆蓋率，缺陷定性較困難，不適合于T型焊縫檢測。

PAUT檢測技術

超聲相控陣技術已有近20多年的發展歷史，初期主要應用于醫療領域，而因其系統的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因使其在工業無損檢測中的應用受限。然而隨著電子技術和計算機技術的快速發展，超聲相控陣技術逐漸應用于工業無損檢測，特別是在核工業及航空工業等領域。由于數字電子和DSP技術(數字信號處理技術,即利用計算機或專用處理設備,以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增加、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式）的發展，使得精確延時越來越方便，因此近幾年，超聲相控陣技術發展尤為迅速，并越來越多地應用到船舶和海洋工程領域。

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規律分布排列，然后逐次按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。它為確定不連續性的形狀、大小和方向提供出比單個或多個探頭系統更大的能力。相控陣分為三種掃查模式：手動掃查、半自動掃查和全自動掃查。

超聲相控陣技術已被成功運用于各種焊縫的探傷，尤其是T型焊縫探傷尤為突出。

PAUT的優點是探頭更小，可以檢測難以接近的部位，檢測速度快，靈活性強，可實現對復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測，通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實現高速、全方位、多角度掃描。

船舶建造中TOFD和PAUT運用

隨著集裝箱船的大型化，在主甲板及艙口圍區域大量使用了級別為EH40及EH47高強鋼，這些鋼材屬于TMCP鋼，部分具有止裂性能，厚度達到80～85mm。按照國際船級社協會IACS URS33-超厚鋼板在集裝箱船上使用要求的規定，對于大于50mm的高強度鋼焊縫，TOFD技術可以作為針對分段對接接頭止裂設計的一種檢測方法。因為TOFD檢測中有盲區的存在，因此可以配合PAUT的技術，雙管齊下，達到無損檢測百分百覆蓋。由此可見，在超大型集裝箱船上載建造期間可以對大于50mm的高強度鋼焊縫缺陷的存在進行精準的測量。

衍射時差檢測技術和超聲相控陣技術在眾多領域得以廣泛運用，由于這二者的靈活和有效的控制方法，以及直觀成像，可以提高檢測的準確性和可靠性，其技術先進性方面是無容置疑的。但與此同時，與傳統的檢測技術相比，由于這兩種檢測方法尚無行業公認的驗收標準，很大程度上限制了其在船舶和海洋工程行業的普遍應用。在海洋工程領域，往往是利用斷裂力學方法，基于“合于使用（Fitness-forpurpose）”評估來建立具體構件缺陷的驗收標準，過程非常復雜。在船舶領域，雖然中國船級社（CCS）在2017年推出了《船用厚板焊接接頭TOFD及PAUT聯合檢測技術指南》，但其中的驗收標準是從ISO 5817及ISO 11666標準轉化而來，未經過與傳統檢測方法的充分對比。為解決這一問題，在大型船舶項目中推廣這兩項先進的技術，CCS正在開展專項技術研究，通過大量試件的對比分析，以制定更加合理的FOFD和PAUT缺陷驗收標準。