船舶无损检测新技术

张砺夫，陈 静，李亚英，鞠婷婷

1大连海洋大学航海与船舶工程学院；2渤海船舶重工有限责任公司；3大连海洋大学海洋科技与环境学院

船舶无损检测新技术

张砺夫1，陈 静1，李亚英2，鞠婷婷3

1大连海洋大学航海与船舶工程学院；2渤海船舶重工有限责任公司；3大连海洋大学海洋科技与环境学院

本文针对船舶无损检测，通过对船舶无损检测技术的深入分析，介绍了几种有可能用于船舶制造的无损检测新技术，论述了无损检测技术的工作原理和应用方法，以及船舶无损检测技术在将来船舶建造中的的发展方向和趋势。

船舶建造；无损检测；新技术

1 无损检测技术

无损检测NDT（Non-Destructive Testing）是指在不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害其组织结构的前提下，利用被检测对象内部结构存在的异常或缺陷所引起的热、声、光、电、磁等方面的变化，借助现代化的设备与技术，通过物理和化学等方法进行分析计算，对被检测对象进行宏观缺陷检测，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行探查查和评定的一门学科。

无损检测通常是为了达到保证产品质量、保障工件的使用性能、改进制造工艺和降低成本。无损检测的应用和结果与被检对象的材料、形状、表面状态以及需检出缺陷的性质、部位、形状方向、大小和检测装置的关系很大，而且还受到人员技能、工作状态、测量误差、精度要求、数据处理和环境因素等多方面的影响。

2 船舶无损检测技术体系

当今的焊接技术已是现代造船的关键工艺技术之一，在船体建造中的焊接工时，占船体建造工时的30%以上，焊接质量是否合格，直接影响了船舶的航行安全和使用寿命[2]。焊接检验通常分为破坏性检验和无损坏性检验两大类，其中无损检测技术是无损坏性检验中最重要、最常使用的检测技术，也是广泛应用于船舶焊接质量检验的最主要的检测技术。

根据物理原理的不同，无损检测方法多种多样。目前被广范应用的有五种方法方法：ET（涡流检测法）、RT（射线照相检测法）、MT（磁粉检测法）、PT（渗透检测法）和UT（超声波检测法），这五种方法被称为无损检测的五大常规方法。

3 船舶无损检测新技术

随着科学技术的飞速发展，船舶无损检测技术也出现了很多新的进步，如相控阵超声波检测技术以及超声波衍射时差法检测技术等，这些新方法、新技术的应用对于定位缺陷和定量的准确性有了极大的提高，既提高了检测效率和可靠性，又消除了检测中的不安全因素，同时还保证了工作环境不会受到污染。船舶无损检测新技术目前已经在某些较大规模的海洋工程项目中得到了应用和验证。

3.1 奥氏体不锈钢焊缝超声波检测

在凝固过程中，奥氏体不锈钢焊缝区域不会发生相变过程，在室温下其存在方式仍保持铸态柱状奥氏体晶粒，而此种柱状晶粒较为粗大且组织构成并不均匀，还具有明显的各向异性。奥氏体不锈钢焊缝柱状晶粒的取向取决于焊道的会冷却方向以及其温度的梯度方向，一般晶粒的生长方向为沿着其冷却的方向，取向基本与焊材凝固时的等温线垂直，堆焊晶粒的取向则基本与母材板垂直，而对于对接焊缝晶粒取向基本与其坡口面垂直，对于此类晶粒，从不同方向探测所引起的衰减与信噪比不同，当波束与柱状晶夹角较小时其衰减较小、信噪比较高，而当波束垂直于柱状晶时其衰减较大、信噪比较低，这就是衰减与信噪比的各向异性。对于这种焊缝以传统超声波检测难以实施。

由于焊接工艺与规范存在差异，奥氏体不锈钢焊缝由手工多道焊接而成，导致焊缝中的不同部位存在不同的组织结构，在这些部位就产生了声阻抗与声速的差异，声束传播的方向由于声阻抗与声速的不同而产生了偏离，从而出现了声束传播底波游动的现象，底波幅度在不同的部位的差异也比较明显，这使得对缺陷进行定位检测非常困难。

所以基于以上的论述，在进行奥氏体不锈钢焊缝超声波检测时应注意以下几点：

3.1.1 选择检测超声波

超声波无损检测中的衰减及信噪比取决于材质的晶粒粗细和超声波的波长，当材质的晶粒较粗，波长较短时，衰减较大，信噪比较低。为了准确地检测出奥氏体焊缝中存在的危险性缺陷，一般在检测过程中都会采用纵波斜探头，从而利用折射纵波来完成检测，这是由于奥氏体焊缝中存在的这种危险性缺陷的取向一般会与检测面形成一定的角度。同时，由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒较为粗大，宜选用较低的频率，通常为0.5－2.5MHz。

3.1.2 奥氏体不锈钢焊缝检测对比试块

对奥氏体不锈钢焊缝进行检测时，一般使用参考对比试块，对比试块与被检测工件的材质、几何形状以及焊接工艺等方面基本相同或相似，利用对比试块上的长横孔来进行调整。一般情况下对比试块的长横孔的直径可选择2mm、3mm、4mm、6mm等几种，具体的直径尺寸由设计图中的技术要求来确定，或通过检测单位与委托单位协商确定。

3.1.3 纵波斜探头探测

对工件进行纵波斜探头探测时，一般会使用一次波而不使用二次波。因为折射波中同时存在纵波和横波两种波，在工件中传播至底面反射后会产生波形转换，使得波型更为复杂。因而，一次波之后，示波屏上的杂波渐多，灵敏度降低，进行判伤比较困难，即使使用一次波探测，相比使用横波检测的方法，对缺陷与定位的判别也更加困难。

3.2 相控阵超声波检测

相控阵超声波检测技术UPA（Ultrasonic Phased Array Testing）又称相控阵超声波检测成像技术，以UPA－NDT表示，是近年来超声波检测领域发展起来的新技术，与传统超声波检验相比具有高效、灵活、可靠等优点。

3.2.1 相控阵超声波检测的原理

（1）传统的超声波检测技术一般应用单声束扫描成像技术

①利用超声换能器（单晶片）固有的几何超声束，扫描工件内部缺陷；

②根据缺陷回波的特点，确定缺陷如位置与特征。

（2）相控无损检测是多声束扫描成像技术

①超声波检测使用的探头是由多个晶片组成的换能器阵列；

②阵列单元在发射电路的激励下，以可控相位激发出超声波束，使超声波束在确定声域处聚焦；

③超声波相控阵各声束相位为可控，使用电子控制聚焦焦点。

3.2.2 相控阵检测中存在的局限性

①选择检测对象时，具有一定的局限性；

②仪器调节的准确程度对检测结果的影响较大，且调节过程比较复杂；

③客观条件对检测结果的影响较大，轨道安装的精度、工件表面的光滑度以及焊缝工艺的完整性都会对检测的结果产生一定的影响；

④检测不同规格材料及壁厚的焊缝，在进行校准时需要使用不同的对比试块；

⑤对手工电弧焊的检测的准确性和可靠性明显低于对自动焊的检验。

3.3 超声波衍射时差法检测技术

超声波衍射时差法检测技术TOFD（Time of Flight Diffraction）其原理是基于超声波与被检测材料缺陷的端部相互作用，其会在较大的角度范围内发射出衍射波，一但发出的衍射波被检测到就可以确定存在缺陷，而缺陷的高度量值可以利用信号的传播时间差来求得，不需要衍射信号的幅度而根据其传播的时间来计算缺陷的尺寸。

为了使缺陷端部产生能够被接收的衍射波信号，所使用纵波探头的指向角一般要较大，这样就可以在一次扫查过程中检测一定体积的区域，但也仅局限于一次扫查可检测到的体积尺寸。发射声脉冲后到达接收探头上的第一个信号就是在试件两面下传播的侧向波，若到达接收探头的第二个信就是底面回波就表示被检测区域不存在缺陷，这两个信号一般仅供参考使用。如果不考虑波型转换的因素，由于底波与侧向波分别对应于接收探头和发射探头之间的最长声程和最短声程，那么因为材料中缺陷而产生的一切衍射波信号都会在底波与侧向波之间被接收到。

3.4 磁记忆检测技术

作为无损检测领域中一种全新的快速无损检测技术，金属磁记忆检测技术利用了磁性金属材料的磁记忆效应对金属部件内部存在的应力集中部位进行初步检测。它克服了在传统无损检测过程中存在的某些不足，可以对磁性金属构件内部的应力集中部位（初期损伤和失效及微观缺陷等）进行检测，防止构件发生突发性的疲劳损伤。

3.4.1 磁记忆检测的原理

此方法是基于磁致伸缩性质。磁致伸缩性质即在铁制工件的变形和应力集中区域会发生磁畴组织定向和重新取向，而这种取向是不可逆的，这种不可逆的磁状态变化即使在工作载荷消除后仍然会保留下来，而且变化程度取决于工件承受的最大应力。现代材料科学和铁磁学研究证明，在铁制工件的运行过程中，由于受到工作载荷的作用，使得其内部磁畴组织的取向发生了变化。在地球磁场环境中，其应力集中部位的局部磁场会表现为异常，形成所谓的“漏磁场”，在去除工件载荷后“漏磁场”仍会存在，这就是应用磁记忆检测技术的物理基础。

3.4.2 磁记忆检测的特点

①设备操作容易、简单轻便、灵敏度高、重复性能好、可靠性好；

②提离效应对其影响很小；

③被检测金属的表面不需要进行清理或其他预处理；

④对铁制件进行检测时，不需要专门的磁化装置；

⑤能够发现可能出现缺陷的危险部位区域，但不能对危险部位进行定性与定量地分析出缺陷的形状、大小及性质。

4.结束语

无损检测技术在船舶设计、生产、使用、修理过程中的具有广泛的应用,特别无损检测技术是船舶修建的质量的重要保障,体现了在船舶建造过程中建立一套完整的无损检测系统是非常必要的。伴随着中国船舶制造业的不断发展，无损检测技术在船舶制造中的应用也将会愈来愈广泛，技术要求会愈来愈高，新的应用技术也会愈来愈多。

[1]李家伟编著，《无损检验手册》，机械工业出版社，2002年

[2]中国船级社，《船舶焊接检验指南》，2008年