摘 要:制定了在役纜樁螺栓的相控陣超聲全聚焦檢測工藝,設計了檢測工裝及設備保護工 裝,利用全數(shù)據儲存與分析方法,對在役纜樁螺栓進行檢測與監(jiān)控,為船舶系泊安全保駕護航。 

關鍵詞:相控陣超聲;全聚焦法;在役;螺栓 

中圖分類號:TG115.28                                   文獻標志碼:A                                   文章編號:1000-6656(2022)09-0058-05

固定纜樁與地面樁基的纜樁螺栓一般服役于高 濕高溫的臨水或臨海(高鹽)碼頭,在腐蝕和交變載 荷的長期作用下,極易產生橫向(周向)應力腐蝕裂 紋。裂紋一旦在使用中產生,極易導致螺栓斷裂,造 成重大的損失甚至災難性后果。2009年西班牙某 港郵輪發(fā)生強風導致碼頭纜樁螺栓斷裂事故,造成 船艏飄離碼頭、客用舷梯及四人墜海。2010 年 12 月,臺州某漁船纜樁斷裂,導致一死一重傷的嚴重后 果。以上樁斷裂事故,均是連接纜裝與地面樁基的 螺栓發(fā)生斷裂造成的,因此,對纜裝螺栓進行檢測十 分重要。筆者制定了在役纜樁螺栓的相控陣超聲全 聚焦(TFM)檢測工藝,設計了檢測工裝及設備保護 工裝,利用全數(shù)據儲存與分析方法,對在役纜樁螺栓 進行檢測與監(jiān)控,為船舶系泊安全保駕護航。 

1 檢測方案 

前述提到事故中,斷裂螺栓的部位為距離螺栓 端面130mm 的區(qū)域,經分析,失效原因為螺栓存在 疲勞腐蝕裂紋。腐蝕先從應力集中的螺栓表面開始,逐步向內部延伸,直至螺栓斷裂。在役纜樁螺栓 深埋在樁基內部(見圖1),大批量地拆除后實施檢 測不僅會破壞樁基,而且增加檢測成本和延長整個 螺栓的維修周期。因此,在不拆除纜樁樁基的情況 下,選擇一種合適的檢測技術對螺栓關鍵區(qū)域進行 檢測十分重要。

纜樁螺栓預埋前一般使用常規(guī)超聲檢測法檢測 其內部缺陷,采用磁粉檢測法檢測其表面缺陷。很顯然,這兩種技術無法符合當前檢測要求。在不拆 除纜樁樁基的前提下,磁粉檢測是無法檢測螺栓表 面的;常規(guī)超聲檢測很難識別螺紋回波信號與缺陷 回波信號,容易造成誤判或漏檢。常規(guī)相控陣超聲 檢測雖然可以對螺栓螺紋表面進行檢測,但該方法 在成像、聚焦、檢測能力、分辨力等方面不如相控陣 全聚焦技術(見圖2)。由此可見,采用相控陣全聚 焦檢測技術對螺栓進行檢測可以彌補以上技術的不 足,所以筆者將該方法作為首選方法。 

相控陣超聲全聚焦技術[1]包括全矩陣數(shù)據采集 (FMC)和全聚焦方法(TFM),首先利用相控陣探頭 依次激發(fā)每個晶片,同時所有晶片接收回波信號,這 個過程為全矩陣數(shù)據采集過程;其次對每個接收到 的信號進行計算疊加,形成高精度的圖像,這個過程 為全聚焦。相對于普通超聲檢測技術和常規(guī)相控陣 技術,該技術具有如下優(yōu)勢。 

(1)TFM 技術具有很高的靈敏 度、圖 像 分 辨 力[2-3]和信噪比,其擁有獨立的數(shù)據分析和處理能 力,極大提高了圖像分辨力和信噪比,從而更容易檢 測出缺陷的微小變化,有利于缺陷擴展的監(jiān)測。采 用 TFM 技術可清晰區(qū)分螺牙回波與刻槽回波。

 (2)TFM 技術提高了對不同取向缺陷的檢測 能力。使用 TFM 技術依次激發(fā)晶片,各晶片同時 處于接收狀態(tài),其效果相當于聲束以不同角度到達 缺陷的反射面,超聲波束與缺陷面積方向近似垂直 時,反射能量最高。 

(3)TFM 技術具有圖形識別上的優(yōu)勢。普通 相控陣超聲檢測形成的圖像是扇掃圖像,圖譜變形 較大,且沒有螺栓的模擬圖,而 TFM 圖像能直接顯 示螺栓的橫截面圖,更容易辨別缺陷的位置。

2 參考試塊制作 

目前國內外尚無 TFM 檢測的相關標準和參考 試塊,為滿足實際檢測需求并結合現(xiàn)有標準的特點, 制定了以下相關的驗收參考及校準試塊標準。

2.1 螺栓刻槽校準試塊的制作

 參照標準 GB/T23905-2009 《無損檢測 超聲 檢測用試塊》中對試塊表面刻槽的加工要求,結合 現(xiàn)場實 際 情 況,選 用 與 被 檢 纜 樁 螺 栓 材 料 相 同 (Q235)、尺寸相似(螺栓直徑×螺紋間距為40mm× 4mm)的絲桿制作螺牙根部刻槽試塊。在加工刻槽 前,先對試塊進行全聚焦相控陣超聲檢測,將儀器靈 敏度調至最高,確保螺牙根部刻槽試塊無可見缺陷 回波顯示。檢測合格后,在絲桿深為10,30,50,70, 130,200mm 處的螺紋根部,用直徑為0.2mm 的鉬 絲線切割深為2mm 的刻槽,螺牙根部刻槽試塊結 構如圖3所示。 

加工后螺 栓 刻 槽 試 塊 的 TFM 圖 譜 如 圖 4 所 示,可見,螺牙與刻槽的顯示可以清晰分辨。檢測 結果說明,該技術可有效發(fā)現(xiàn)2mm 刻槽當量的表 面缺陷。 

2.2 驗收標準的制定 

螺栓斷裂部位為纜樁與地面樁基的過渡區(qū),對 其進行返修。首先切割缺陷部位,刨掉缺陷后,開 45°坡口,使用手工電弧焊進行焊接。返修的焊接區(qū)域及熱影響區(qū)域大致分部在距離螺栓100~160mm 的位置,這部分區(qū)域是螺栓檢測的關鍵部位。驗收等 級參照焊縫檢測標準 GB/T11345-2013《焊縫無損 檢測 超 聲 檢 測 技 術、檢 測 等 級 和 評 定》建 立,將 2mm 刻槽定義為參考等級 H0 (為 參 考 體 波 幅 代 號)。根據螺栓的使用狀態(tài)進行分區(qū)驗收,區(qū)域分為 一般區(qū)域和關鍵區(qū)域。對于一般區(qū)域,反射回波高于 H0 的缺陷,應判定為不合格,高于H0-4dB,應予以 記錄;關 鍵 部 位 (螺 栓 與 樁 基 的 連 接 處 上 下 各 30mm 的區(qū)域)高于 H0 的顯示不允許返修,應直 接換新;對于返修部位,應按原檢測工藝進行復檢; 對于應記錄的部位,由檢測員進行記錄,反饋至纜樁 設備管理部存檔,由管理部組織定期進行復檢。驗 收標準如表1所示。 

2.3 工裝的研發(fā) 

筆者利用3D打印技術制作出專用的探頭保護 工裝(專利號:ZL202122090370.7)及螺栓掃查工 裝(見圖5)。 

探頭保護工裝的使用,克服了檢測時探頭在無 保護下易磨損的缺點,極大地延長了探頭使用壽命。 螺栓掃查工裝則解決了手動掃查時人為因素影響 大、缺陷測量不準確、采集數(shù)據不全面、掃查效率低 等問題,實現(xiàn)了高效快捷掃查、全方位采集數(shù)據,為螺栓缺陷的長期監(jiān)測提供了必要條件。

3 現(xiàn)場應用 

3.1 儀器的校準 

儀器型號為 M2M GEKKO325,探頭型 號 為 OLYMPUSA11-5L32(32晶片,孔徑寬度為10mm, 中心距為0.6mm,間距為0.1mm,線陣陣列探頭), 晶片型號為 XAAB-0207T020932。儀器校準步驟 如下。 

(1)器材配置設置。包括工件尺寸、探頭配置、 掃查器。構建螺栓三維結構,輸入螺栓材料、聲速、 密度信息;探頭配置選擇實際使用的探頭信息,脈 沖信號使用脈沖回波收發(fā)模式,打開自動濾波,中 心頻率選擇5 MHz,采樣頻率選擇100 MHz,激勵 電壓為40 V,脈 沖 寬 度 為 100ns;楔 塊 為 平 行 楔 塊,參考點為楔塊中心,楔塊高度為0.5 mm,長為 40mm,寬為 40 mm;掃 查 器 為 單 軸 掃 查 器,編 碼 器軸為 C1,連接端口為1,編 碼 器 精 度 為 40 采 樣 點/mm,方向為反向。 

(2)超 聲 設 置 包 括 TFM 設 置、定 量 校 準。 TFM 設 置 波 型 模 式 為 縱 波 LL;成 像 參 考 點 為 頂 端,區(qū)域寬為 50mm,深為 5mm,高為200mm;探 頭水平偏移0mm,夾角為90°;視圖布局選擇 TFM 與 TFM 成像。將探頭放置到螺牙根部刻槽試塊上 進行 TCG(時 間 增 益)校 準,由 于 螺 栓 長 度 達 230 mm,掃查范圍大,分兩個區(qū)域進行 TCG 校準。第 一區(qū)域刻槽深為10,30,50,70 mm,第二區(qū)域刻槽 深為130,200mm。TCG 校準后兩個區(qū)域的刻槽圖 像如前圖4所示。校準結束要驗證檢驗區(qū)域內的靈 敏度是否一致,驗證合格后進行保存,即完成 TFM 設置。 

(3)檢測設置包括參考點和掃查軌跡。參考點 為頂端中心點。

3.2 現(xiàn)場檢測 

現(xiàn)場檢測要求螺栓端面光滑,無鐵銹,無凹坑及 影響探頭移動的雜物,無影響檢測的障礙物。儀器 校驗以及現(xiàn)場檢測統(tǒng)一使用機油作為耦合劑。檢測 時,在 TCG 校準基礎上再增加6dB作為掃查靈敏 度(H0+6dB)。掃查界面至少應顯示 TFM、TFM 成像界面。

4 檢測結果及分析 

選取2020至2021年度螺栓的監(jiān)控數(shù)據進行分 析。檢測螺栓共計 1500 根,排查出 90 根可疑螺 栓,其中不合格8根,換新3根,返修合格5根,需監(jiān) 控87根。從2021年年中監(jiān)控至今,經歷了一個臺 風季,并未出現(xiàn)纜樁螺栓的斷裂情況。后續(xù)情況還應持續(xù)跟蹤監(jiān)控,監(jiān)控周期為兩年。2020至2021年 度在役纜樁螺栓的 TFM 檢測統(tǒng)計結果如圖 6 所 示,不合格及部分返修記錄如表2所示(表中 C.為 裂紋,I.為未熔合,N.R.D.為無顯示記錄,Acc. 為合格,Rej.為不合格),其中部分缺陷及返修記錄 圖譜如圖7所示。

對檢測數(shù)據進行分析,發(fā)現(xiàn)裂紋或微小顯示產生 的深度基本處于距離螺栓端面100mm~160mm 的 關鍵區(qū)域內,該區(qū)域在纜樁基座與樁基的接觸面附 近,不僅是承受剪切應力最強的區(qū)域,而且易受地下 潮氣、海水腐蝕。現(xiàn)場檢測出的斷裂螺栓及其 TFM 圖譜如圖8所示。 

5 結語 

(1)對纜樁螺栓進行在役檢測,極大地縮短了 檢測工期,節(jié)約了檢修成本。 

(2)利用2 mm 深的刻槽作為參考基準,制作 圖8 現(xiàn)場檢測出的斷裂螺栓及其 TFM 圖譜 螺栓刻 槽 參 考 試 塊,檢 測 結 果 表 明,實 際 裂 紋 的 TFM 圖像與試塊刻槽圖像基本一致。

(3)設計的探頭保護裝置和螺栓專用掃查裝 置,不僅可以提高探頭的耦合程度,減少磨損,還可 以提高掃查效率。 

(4)利用全數(shù)據監(jiān)測對所有可疑螺栓進行監(jiān) 控,有效地減少了返修成本。 

(5)利用 TFM 技術對在役纜樁螺栓進行檢測, 有力監(jiān)控了筆者公司碼頭纜樁螺栓的質量,保證了 公司所建造和維修船舶的系泊安全,該技術值得推 廣應用。

參考文獻: 

[1] 李衍.超聲相控陣全聚焦法成像 檢 測[J].無 損 檢 測, 2017,39(5):57-64. 

[2] 楊貴德,詹紅慶,陳偉,等.相控陣三維全聚焦成像檢測 技術[J].無損檢測,2018,40(5):64-67. 

[3] 戈浩.相控陣超聲檢測橫向分辨力的影響因素[J].無 損檢測,2018,40(7):27-30. 

<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 無損檢測 > 44卷 > 9期 (pp:58-62)>