水下无损检测技术的研究现状和发展趋势

裘达夫

(91872部队，上海 200083)

0 前言

水下无损检测技术是无损检测技术的一个重要分支，是无损检测技术在海洋工程、船舶工程等特殊领域的应用。随着现代近海工程的发展，海洋平台、海底管线等海上结构物的大量建造的需要，水下无损检测技术已突显出它不可替代的重要性，而随着水下无损技术水平的提高，该技术的经济性也越发显著。

目前，水下无损检测在海洋工程领域已得到广泛的应用，并取得较好的成果。在船舶领域，由于船体水下部分结构的复杂性以及维修体制的限制，水下无损检测技术一直没有得到很好的实践，仍主要采用潜水员目视观察的方法。随着视情维修、涂料技术、电子技术、信号处理技术以及水下潜器技术的发展，水下无损检测技术在船舶领域必将得到越来越广泛的应用。本文介绍水下无损检测的技术现状及关键技术，并针对船舶维修展望其以后的发展方向。

1 水下构件的损伤形式及水下检测方式

船舶、海洋平台等海洋结构存在着不同种类的损伤缺陷，其损伤形式可分为:腐蚀、裂纹、变形(破损)、海生物附着等。

1)腐蚀损伤。

腐蚀是海洋环境下各构件的一种主要的损伤形式，由于生化反应，腐蚀损伤将导致构件有效厚度的减少，进而导致水下结构如船体的屈服强度的变化，以致引起穿透、破损、断裂等严重事故。

腐蚀损伤的检测可以采用水下目视检测，包括水下摄像、水下照相、涂层测厚及钢板测厚等手段。另外水下电位测量可以检测阴极保护措施的保护水平。

2)裂纹损伤。

裂纹可分为疲劳裂纹、腐蚀裂纹、水下焊接裂纹等，其中以疲劳裂纹最具隐蔽性和危害性。特别是构件的连接处，应力高度集中，最容易产生疲劳裂纹。在海洋环境下，疲劳裂纹会很快成为新的应力腐蚀源，加速其扩展的速度。

对于裂纹损伤，可以采用水下磁粉探伤、水下超声波探伤进行检测，严重的通过拍照、摄像也可以进行识别。

3)变形损伤 (破损)。

船舶与平台的碰撞、重物坠落对构件的冲撞以及受到意外事故等都会造成结构弯曲、凹坑等变形或破损。

变形损伤可以采用水下照相、摄像进行观察。

4)海生物附着。

水下设施为海洋生物群体的生长提供了一个理想的场所。海生物附着在构件的表面，改变了构件表面的粗糙度和阻尼系数，对于船舶来说，不仅会影响船舶的航行速度，而且造成钢板涂层的破坏，加剧船体的腐蚀。同时海生物的附着也会使水下检测更加困难。

对于海生物的附着情况，可以采用水下目视检测的方法。

2 水下无损检测方法介绍

2.1 水下目视检测(UWVT)

UWVT是最常用的检测方法。由于操作方法简单以及应用面广泛，已成为目前实施“水检替代坞检”对海洋钢结构和混凝土结构、水库及码头设施进行质量检查的基本方法。常用的方法有目力检查亦称外观检查、照相、摄像、测厚以及电位测量等。其中，目力检查是主要方法，也是早期检查性潜水或调查潜水的基本手段，完全依赖于潜水员的肉眼观察。

UWVT的关键技术包括水下照相和摄像的清晰度，水下涂层测厚、超声波测厚和电位测量的精度2方面。

1)水下照相和摄像的清晰度。

由于水对光线的散射、折射以及吸收，水下能见度低，尤其在东海的浑水条件下，水下的能见度几乎为零。在这种情况下，普通的水下照相和摄像技术根本得不到可用的图像和视频。

为解决可见度的问题，在水下加灯光的基础下，目前主要有以下3种解决手段和研究方向。①采用局部清水箱和清水袋，营造一个局部的清水环境，提高可见度;②采用信号处理技术，在传统的摄像基础上，采用信噪分离的信号处理技术，提高图像和视频的清晰度;③采用先进的操作设备，如多波束声纳成像系统，该系统分辨率高，可以检测水下目标的细节部分，而且成像速度快，可以实时成像，更重要的是在可见度为零的环境下也可以进行中短距离的成像，如Blueview公司DF900－2250双频微型多波束图像声纳系统、IMAGENEX Model 837“Delta T”多波束图像声纳等。

2)水下涂层测厚、超声波测厚和电位测量的精度。

在水流的冲击下，水下测量必然受到影响，尤其对于涂层这种高精度的测量，测量结果甚至是不可用的。为了解决这个问题，一方面从测量原理上提高测量精度，另一方面采用辅助装置提高测量的稳定性，如采用柔性手腕固定探头、限制探头的作用力等。

对于水下超声波测厚，一般都需要去除涂层才能进行测量，但涂层的局部破坏将会严重加重钢结构的腐蚀，这对于水下结构是不允许的。为了解决该问题，美国DAKOTA、英国里泰等已经研制成功不需要破坏涂层的超声波探伤仪:UMX/MMX6水下超声波测厚仪、Tritex3000水下超声波测厚仪，它们应用多次回波原理，在检测时会透过途层直接显示基体厚度。

2.2 水下磁粉探伤(UWMT)

UWMT是目前比较成熟的一种无损检测方法，应用十分广泛。常用方法有永久磁铁法、触头法和电磁轭法等。其磁悬液以水为载体，为了提高可见度，通常用荧光磁粉。

水下磁粉探伤主要应用于表面裂纹和浅埋裂纹，由于该方法主要依据磁悬液显示结构缺陷，所以对水流速度有要求，在水流过快的海情下不适合使用，而且该方法是依据磁原理，所以在带涂层检测时精度也会受影响。

2.3 水下超声波探伤(UWUT)

在对水下焊缝内部缺陷的检测、水下钢结构的检验和评价等工作中，UWUT是主要的检测手段。它的原理与陆地基本相同，通常需要水下和陆地同步显示，其中水下部分进行测量，陆地人员进行监视，根据所观察到的反射信号情况进行判定、标记和记录。

和超声测厚一样，超声波探伤一般也要求去掉涂层，探伤的反射波高和涂层有直接的关系，超声波测厚目前已解决了该问题，但水下超声波探伤目前还没有特别好的带涂层探伤的成熟仪器。

2.4 其它水下无损检测技术

除以上介绍的各种方法，目前已经应用或正在开发的水下无损检测方法还有水下射线检测、水下声发射检测、水下涡流检测、水下超声全息成像、磁强记录仪等。

3 目前存在的问题

1)精度和稳定性的问题。

目前，对于岸上无损检测设备，国内外都已经达到较高的技术水平，但是对于水下仪器，国内和国外存在较大的差距，尤其是仪器的稳定性。在水下，检测人员因受到诸多条件和因素的限制不能像在陆地一样自由地活动，尤其是潜水装置、检测设备和配套设备等限制了人员的活动，同时还增加了水下安装、定位等活动的复杂性，另外受水深、水温、能见度、波浪、潮汐、涌浪、海生物与沉积物等的影响，测量工作的可靠性和稳定性都受到很大影响，即使是进口设备，也必须在合适的条件下才能取得较好的结果

2)自动化问题。

目前的检测设备都需配备专业人员，检测人员都必须是经过专门培训的具备一定资质的人员才能胜任。这给检测任务的完成带来了一定的困难，如果能提高检测设备的自动化程度，使普通潜水员或水下潜器就能自动操作、记录，即使不能实时得出结果，需要送到岸上专业部门和人员进行分析处理，也能较大程度地降低检测任务的实施难度，提高工作效率。

3)通用性问题。

目前的仪器，不同的原理、不同的介质、不同的测量对象就需要选用不同的仪器或不同的探头，最简单的也要进行重新设置参数，如对于涂层测厚，铁基质和铝基质的结构就不能用同样仪器，至少需要更换探头，测量设备的功能太单一，使测量任务复杂化，不仅工作量大，工作效率也很低。如检测船体水下部分的状态，不仅要带涂层测厚仪、钢板测厚仪、水下照相机、摄像机，还要根据船体板材选择合适的探头，调整设备参数。如果是潜水员操作，仪器的切换就相当复杂，一个人甚至都无法完成任务，需要几个人共同协作。

4 发展趋势

1)全局性无损检测技术的发展。

对于水下无损检测，现阶段基本上都采用局部检测，在实际应用中，只能针对怀疑区域或根据经验对关键部位进行局部测量，因此检测不够全面彻底，不仅工作效率低下，而且检测范围有限，尤其对于船舶等大型设备，其庞大的结构导致需要检测的范围广，即便是焊缝一项，就有千千万万个焊缝，在水下如果进行逐一检测，该工作量将是极其巨大甚至不可能完成的，因此检测过程中难免会产生遗漏，进而导致事故的发生。

因此笔者认为，水下无损检测应该向全局化发展，对于厚度测量和探伤，可采用智能材料，只要给材料一个输入，根据材料自身的信号输出，就可以得到材料的整体性能。如对于船体的检测，根据船体钢板的信号输出，就可以判断船体各个部位的损伤情况。

2)集成化仪器的研究。

对于水下无损检测，其检测内容基本上就是图像、视频、涂层厚度、钢板厚度、裂纹等，现有的检测设备都是各司其职，从而给检测任务的完成带来诸多不便。因此可以集成各项功能于一体，甚至可以增加自动定位功能，设计自动探头识别和切换装置，将会大大提高检测效率。

3)水下潜水器 (ROV)的应用。

由于环境因素的影响，潜水员在水下的工作效率和工作时间都受到很大的限制，随着水下潜器技术的不断成熟，以ROV代替潜水员是未来的发展趋势，但是ROV用来真正的检测还需要攻克很多的技术难题，如检测设备操作的稳定性和可靠性、水下定位技术等。

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［3］程志虎.第一专题 水下无损检测技术综述 (一)对象、目的和方法 ［J］.无损检测，1997，19(9):266－269.

［4］程志虎.第一专题 水下无损检测技术综述 (二)水下环境因素对检测作业的影响 ［J］.无损检测，1997，19(10):290－293.