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新型无损检测技术在船舶建造检验中的应用(Z.2017.8)

新闻来源:中国船检    浏览量:547 徐倩倩 2017-09-21
        众所周知,无损检测是确保船舶结构建造质量必不可少的技术手段,为验证结构焊接质量符合规范标准要求的评判依据。无损检测方法有多种,有着各自的优势和局限。传统的无损检测方法包括:渗透检测、磁粉检测、射线检测、超声检测、涡流检测等。作为可以检测结构内部缺陷的方法,射线检测和超声检测是船舶建造中最常用检测方法。
        射线检测是以探测试件内部的宏观集合缺陷,并以胶片的形式作为记录的一种探测方式。这种方法对气孔、夹渣的检出率很高,但对面积型缺陷则容易漏检,同时,由于射线对人体有危害,因此在使用过程中需要清空场地,很多船厂多选在中午或晚上工人下班休息的时间进行,有一定的局限性。
        超声检测是利用超声波的反射现象,最常用的是脉冲回波探伤法,由探头发出的超声波脉冲在传播过程中遇到缺陷返回探头,并由仪器转化和记录这一情况,即可探测缺陷的位置及大小。通常,这种检测法用于锻件、焊缝的检测,可发现工件内部的小裂纹、夹渣、缩孔等缺陷,还可以用来检测工件的厚度,对人体无害。但对于形状复杂的工件,超声波检测的应用将大为受限,同时对操作者的资质要求和熟练程度也有一定的要求。
        除上述常用的检测方法外,随着无损检测技术的不断发展,在船舶建造中,超声衍射时差技术(简称TOFD技术)和相控阵技术(简称PAUT技术)得到越来越多的应用,相比传统检测方法更具有多方面的优势,而逐步被推广应用。
        TOFD检测技术
        20世纪70年代初期,Maurice G.Silk博士和他的团队在英国哈维尔的无损检测中心开发了TOFD技术。TOFD是一种基于声波衍射现象的技术。所谓衍射就是波面遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。根据惠更斯原理,媒质上波阵面上的各点,都可以看成是发射子波的波源,而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面,就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。
        TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测,探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中,其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收,部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。
        TOFD优点是重复性强、精确度高、检测速度快、覆盖范围广,可存储数据,采用D扫描成像,判断更直观,能发现各种类型缺陷,不受缺陷纵向影响。但缺点是信号弱,近表面存在盲区,需要和其他检测方法同时使用,保证其检测的覆盖率,缺陷定性较困难,不适合于T型焊缝检测。
        PAUT检测技术
        超声相控阵技术已有近20多年的发展历史,初期主要应用于医疗领域,而因其系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。由于数字电子和DSP技术(数字信号处理技术,即利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增加、压缩、识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式)的发展,使得精确延时越来越方便,因此近几年,超声相控阵技术发展尤为迅速,并越来越多地应用到船舶和海洋工程领域。
        超声相控阵是超声探头晶片的组合,由多个压电晶片按一定的规律分布排列,然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片,所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面,能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向,能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。相控阵分为三种扫查模式:手动扫查、半自动扫查和全自动扫查。
        超声相控阵技术已被成功运用于各种焊缝的探伤,尤其是T型焊缝探伤尤为突出。
        PAUT的优点是探头更小,可以检测难以接近的部位,检测速度快,灵活性强,可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测,通过局部晶片单元组合对声场控制,可实现高速、全方位、多角度扫描。
        船舶建造中TOFD和PAUT运用
        随着集装箱船的大型化,在主甲板及舱口围区域大量使用了级别为EH40及EH47高强钢,这些钢材属于TMCP钢,部分具有止裂性能,厚度达到80~85mm。按照国际船级社协会IACS URS33-超厚钢板在集装箱船上使用要求的规定,对于大于50mm的高强度钢焊缝,TOFD技术可以作为针对分段对接接头止裂设计的一种检测方法。因为TOFD检测中有盲区的存在,因此可以配合PAUT的技术,双管齐下,达到无损检测百分百覆盖。由此可见,在超大型集装箱船上载建造期间可以对大于50mm的高强度钢焊缝缺陷的存在进行精准的测量。
        衍射时差检测技术和超声相控阵技术在众多领域得以广泛运用,由于这二者的灵活和有效的控制方法,以及直观成像,可以提高检测的准确性和可靠性,其技术先进性方面是无容置疑的。但与此同时,与传统的检测技术相比,由于这两种检测方法尚无行业公认的验收标准,很大程度上限制了其在船舶和海洋工程行业的普遍应用。在海洋工程领域,往往是利用断裂力学方法,基于“合于使用(Fitness-forpurpose)”评估来建立具体构件缺陷的验收标准,过程非常复杂。在船舶领域,虽然中国船级社(CCS)在2017年推出了《船用厚板焊接接头TOFD及PAUT联合检测技术指南》,但其中的验收标准是从ISO 5817及ISO 11666标准转化而来,未经过与传统检测方法的充分对比。为解决这一问题,在大型船舶项目中推广这两项先进的技术,CCS正在开展专项技术研究,通过大量试件的对比分析,以制定更加合理的FOFD和PAUT缺陷验收标准。
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