中國(guó)船級(jí)社 徐倩倩

新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在船舶建造檢驗(yàn)中的應(yīng)用

中國(guó)船級(jí)社 徐倩倩

眾所周知，無(wú)損檢測(cè)是確保船舶結(jié)構(gòu)建造質(zhì)量必不可少的技術(shù)手段，為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的評(píng)判依據(jù)。無(wú)損檢測(cè)方法有多種，有著各自的優(yōu)勢(shì)和局限。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法包括：滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)等。作為可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的方法，射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)是船舶建造中最常用檢測(cè)方法。

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

超聲檢測(cè)是利用超聲波的反射現(xiàn)象，最常用的是脈沖回波探傷法，由探頭發(fā)出的超聲波脈沖在傳播過(guò)程中遇到缺陷返回探頭，并由儀器轉(zhuǎn)化和記錄這一情況，即可探測(cè)缺陷的位置及大小。通常，這種檢測(cè)法用于鍛件、焊縫的檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部的小裂紋、夾渣、縮孔等缺陷，還可以用來(lái)檢測(cè)工件的厚度，對(duì)人體無(wú)害。但對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，超聲波檢測(cè)的應(yīng)用將大為受限，同時(shí)對(duì)操作者的資質(zhì)要求和熟練程度也有一定的要求。

除上述常用的檢測(cè)方法外，隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在船舶建造中，超聲衍射時(shí)差技術(shù)（簡(jiǎn)稱TOFD技術(shù)）和相控陣技術(shù)（簡(jiǎn)稱PAUT技術(shù)）得到越來(lái)越多的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)檢測(cè)方法更具有多方面的優(yōu)勢(shì)，而逐步被推廣應(yīng)用。

TOFD檢測(cè)技術(shù)

20世紀(jì)70年代初期，Maurice G.Silk博士和他的團(tuán)隊(duì)在英國(guó)哈維爾的無(wú)損檢測(cè)中心開發(fā)了TOFD技術(shù)。TOFD是一種基于聲波衍射現(xiàn)象的技術(shù)。所謂衍射就是波面遇到障礙物或小孔后通過(guò)散射繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。根據(jù)惠更斯原理，媒質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可以看成是發(fā)射子波的波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時(shí)間內(nèi)所傳播到的新波面。

TOFD技術(shù)采用一發(fā)一收兩個(gè)寬帶窄脈沖探頭進(jìn)行檢測(cè)，探頭相對(duì)于焊縫中心線對(duì)稱布置。發(fā)射探頭產(chǎn)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?zhèn)鞑ケ唤邮仗筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過(guò)接收缺陷尖端的衍射信號(hào)及其時(shí)差來(lái)確定缺陷的位置和自身高度。

TOFD優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性強(qiáng)、精確度高、檢測(cè)速度快、覆蓋范圍廣，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用D掃描成像，判斷更直觀，能發(fā)現(xiàn)各種類型缺陷，不受缺陷縱向影響。但缺點(diǎn)是信號(hào)弱，近表面存在盲區(qū)，需要和其他檢測(cè)方法同時(shí)使用，保證其檢測(cè)的覆蓋率，缺陷定性較困難，不適合于T型焊縫檢測(cè)。

PAUT檢測(cè)技術(shù)

超聲相控陣技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，而因其系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用受限。然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)，特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域。由于數(shù)字電子和DSP技術(shù)(數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),即利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備,以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增加、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式）的發(fā)展，使得精確延時(shí)越來(lái)越方便，因此近幾年，超聲相控陣技術(shù)發(fā)展尤為迅速，并越來(lái)越多地應(yīng)用到船舶和海洋工程領(lǐng)域。

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

超聲相控陣技術(shù)已被成功運(yùn)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(yōu)點(diǎn)是探頭更小，可以檢測(cè)難以接近的部位，檢測(cè)速度快，靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)，通過(guò)局部晶片單元組合對(duì)聲場(chǎng)控制，可實(shí)現(xiàn)高速、全方位、多角度掃描。

船舶建造中TOFD和PAUT運(yùn)用

隨著集裝箱船的大型化，在主甲板及艙口圍區(qū)域大量使用了級(jí)別為EH40及EH47高強(qiáng)鋼，這些鋼材屬于TMCP鋼，部分具有止裂性能，厚度達(dá)到80～85mm。按照國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)IACS URS33-超厚鋼板在集裝箱船上使用要求的規(guī)定，對(duì)于大于50mm的高強(qiáng)度鋼焊縫，TOFD技術(shù)可以作為針對(duì)分段對(duì)接接頭止裂設(shè)計(jì)的一種檢測(cè)方法。因?yàn)門OFD檢測(cè)中有盲區(qū)的存在，因此可以配合PAUT的技術(shù)，雙管齊下，達(dá)到無(wú)損檢測(cè)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(duì)大于50mm的高強(qiáng)度鋼焊縫缺陷的存在進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量。

衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)和超聲相控陣技術(shù)在眾多領(lǐng)域得以廣泛運(yùn)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(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，其技術(shù)先進(jìn)性方面是無(wú)容置疑的。但與此同時(shí)，與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，由于這兩種檢測(cè)方法尚無(wú)行業(yè)公認(rèn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上限制了其在船舶和海洋工程行業(yè)的普遍應(yīng)用。在海洋工程領(lǐng)域，往往是利用斷裂力學(xué)方法，基于“合于使用（Fitness-forpurpose）”評(píng)估來(lái)建立具體構(gòu)件缺陷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)程非常復(fù)雜。在船舶領(lǐng)域，雖然中國(guó)船級(jí)社（CCS）在2017年推出了《船用厚板焊接接頭TOFD及PAUT聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)指南》，但其中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是從ISO 5817及ISO 11666標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而來(lái)，未經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法的充分對(duì)比。為解決這一問(wèn)題，在大型船舶項(xiàng)目中推廣這兩項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，CCS正在開展專項(xiàng)技術(shù)研究，通過(guò)大量試件的對(duì)比分析，以制定更加合理的FOFD和PAUT缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。