摘 要:制定了在役纜樁螺栓的相控陣超聲全聚焦檢測(cè)工藝,設(shè)計(jì)了檢測(cè)工裝及設(shè)備保護(hù)工 裝,利用全數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與分析方法,對(duì)在役纜樁螺栓進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控,為船舶系泊安全保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞:相控陣超聲;全聚焦法;在役;螺栓

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(zhǎng)期作用下,極易產(chǎn)生橫向(周向)應(yīng)力腐蝕裂 紋。裂紋一旦在使用中產(chǎn)生,極易導(dǎo)致螺栓斷裂,造 成重大的損失甚至災(zāi)難性后果。2009年西班牙某 港郵輪發(fā)生強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)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(tái)州某漁船纜樁斷裂,導(dǎo)致一死一重傷的嚴(yán)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(duì)纜裝螺栓進(jìn)行檢測(cè)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(cè)工藝,設(shè)計(jì)了檢測(cè)工裝及設(shè)備保護(hù) 工裝,利用全數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與分析方法,對(duì)在役纜樁螺栓 進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控,為船舶系泊安全保駕護(hù)航。

1 檢測(cè)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(jīng)分析,失效原因?yàn)槁菟ù嬖? 疲勞腐蝕裂紋。腐蝕先從應(yīng)力集中的螺栓表面開(kāi)始,逐步向內(nèi)部延伸,直至螺栓斷裂。在役纜樁螺栓 深埋在樁基內(nèi)部(見(jiàn)圖1),大批量地拆除后實(shí)施檢 測(cè)不僅會(huì)破壞樁基,而且增加檢測(cè)成本和延長(zhǎng)整個(gè) 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(cè)技術(shù)對(duì)螺栓關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行 檢測(cè)十分重要。

纜樁螺栓預(yù)埋前一般使用常規(guī)超聲檢測(cè)法檢測(cè) 其內(nèi)部缺陷,采用磁粉檢測(cè)法檢測(cè)其表面缺陷。很顯然,這兩種技術(shù)無(wú)法符合當(dāng)前檢測(cè)要求。在不拆 除纜樁樁基的前提下,磁粉檢測(cè)是無(wú)法檢測(cè)螺栓表 面的;常規(guī)超聲檢測(cè)很難識(shí)別螺紋回波信號(hào)與缺陷 回波信號(hào),容易造成誤判或漏檢。常規(guī)相控陣超聲 檢測(cè)雖然可以對(duì)螺栓螺紋表面進(jìn)行檢測(cè),但該方法 在成像、聚焦、檢測(cè)能力、分辨力等方面不如相控陣 全聚焦技術(shù)(見(jiàn)圖2)。由此可見(jiàn),采用相控陣全聚 焦檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)可以彌補(bǔ)以上技術(shù)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(shù)[1]包括全矩陣數(shù)據(jù)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(gè)晶片,同時(shí)所有晶片接收回波信號(hào),這 個(gè)過(guò)程為全矩陣數(shù)據(jù)采集過(guò)程;其次對(duì)每個(gè)接收到 的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算疊加,形成高精度的圖像,這個(gè)過(guò)程 為全聚焦。相對(duì)于普通超聲檢測(cè)技術(shù)和常規(guī)相控陣 技術(shù),該技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)。

(1)TFM 技術(shù)具有很高的靈敏 度、圖 像 分 辨 力[2-3]和信噪比,其擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)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(cè)出缺陷的微小變化,有利于缺陷擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)。采 用 TFM 技術(shù)可清晰區(qū)分螺牙回波與刻槽回波。

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

(3)TFM 技術(shù)具有圖形識(shí)別上的優(yōu)勢(shì)。普通 相控陣超聲檢測(cè)形成的圖像是扇掃圖像,圖譜變形 較大,且沒(méi)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(guó)內(nèi)外尚無(wú) TFM 檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和參考 試塊,為滿(mǎn)足實(shí)際檢測(cè)需求并結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn), 制定了以下相關(guān)的驗(yàn)收參考及校準(zhǔn)試塊標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 螺栓刻槽校準(zhǔn)試塊的制作

參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T23905-2009 《無(wú)損檢測(cè) 超聲 檢測(cè)用試塊》中對(duì)試塊表面刻槽的加工要求,結(jié)合 現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 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(duì)試塊進(jìn)行全聚焦相控陣超聲檢測(cè),將儀器靈 敏度調(diào)至最高,確保螺牙根部刻槽試塊無(wú)可見(jiàn)缺陷 回波顯示。檢測(cè)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(jié) 構(gòu)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(jiàn),螺牙與刻槽的顯示可以清晰分辨。檢測(cè) 結(jié)果說(shuō)明,該技術(shù)可有效發(fā)現(xiàn)2mm 刻槽當(dāng)量的表 面缺陷。

2.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定

螺栓斷裂部位為纜樁與地面樁基的過(guò)渡區(qū),對(duì) 其進(jìn)行返修。首先切割缺陷部位,刨掉缺陷后,開(kāi) 45°坡口,使用手工電弧焊進(jìn)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(cè)的關(guān)鍵部位。驗(yàn)收等 級(jí)參照焊縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) GB/T11345-2013《焊縫無(wú)損 檢測(cè) 超 聲 檢 測(cè) 技 術(shù)、檢 測(cè) 等 級(jí) 和 評(píng) 定》建 立,將 2mm 刻槽定義為參考等級(jí) H0 (為 參 考 體 波 幅 代 號(hào))。根據(jù)螺栓的使用狀態(tài)進(jìn)行分區(qū)驗(yàn)收,區(qū)域分為 一般區(qū)域和關(guān)鍵區(qū)域。對(duì)于一般區(qū)域,反射回波高于 H0 的缺陷,應(yīng)判定為不合格,高于H0-4dB,應(yīng)予以 記錄;關(guān) 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(yīng)直 接換新;對(duì)于返修部位,應(yīng)按原檢測(cè)工藝進(jìn)行復(fù)檢; 對(duì)于應(yīng)記錄的部位,由檢測(cè)員進(jìn)行記錄,反饋至纜樁 設(shè)備管理部存檔,由管理部組織定期進(jìn)行復(fù)檢。驗(yàn) 收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.3 工裝的研發(fā)

筆者利用3D打印技術(shù)制作出專(zhuān)用的探頭保護(hù) 工裝(專(zhuān)利號(hào):ZL202122090370.7)及螺栓掃查工 裝(見(jiàn)圖5)。

探頭保護(hù)工裝的使用,克服了檢測(cè)時(shí)探頭在無(wú) 保護(hù)下易磨損的缺點(diǎn),極大地延長(zhǎng)了探頭使用壽命。 螺栓掃查工裝則解決了手動(dòng)掃查時(shí)人為因素影響 大、缺陷測(cè)量不準(zhǔn)確、采集數(shù)據(jù)不全面、掃查效率低 等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了高效快捷掃查、全方位采集數(shù)據(jù),為螺栓缺陷的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了必要條件。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 儀器的校準(zhǔn)

儀器型號(hào)為 M2M GEKKO325,探頭型 號(hào) 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(hào)為 XAAB-0207T020932。儀器校準(zhǔn)步驟 如下。

(1)器材配置設(shè)置。包括工件尺寸、探頭配置、 掃查器。構(gòu)建螺栓三維結(jié)構(gòu),輸入螺栓材料、聲速、 密度信息;探頭配置選擇實(shí)際使用的探頭信息,脈 沖信號(hào)使用脈沖回波收發(fā)模式,打開(kāi)自動(dòng)濾波,中 心頻率選擇5 MHz,采樣頻率選擇100 MHz,激勵(lì) 電壓為40 V,脈 沖 寬 度 為 100ns;楔 塊 為 平 行 楔 塊,參考點(diǎn)為楔塊中心,楔塊高度為0.5 mm,長(zhǎng)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(diǎn)/mm,方向?yàn)榉聪颉?

(2)超 聲 設(shè) 置 包 括 TFM 設(shè) 置、定 量 校 準(zhǔn)。 TFM 設(shè) 置 波 型 模 式 為 縱 波 LL;成 像 參 考 點(diǎn) 為 頂 端,區(qū)域?qū)挒?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(jìn)行 TCG(時(shí) 間 增 益)校 準(zhǔn),由 于 螺 栓 長(zhǎng) 度 達(dá) 230 mm,掃查范圍大,分兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行 TCG 校準(zhǔn)。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(zhǔn)后兩個(gè)區(qū)域的刻槽圖 像如前圖4所示。校準(zhǔn)結(jié)束要驗(yàn)證檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的靈 敏度是否一致,驗(yàn)證合格后進(jìn)行保存,即完成 TFM 設(shè)置。

(3)檢測(cè)設(shè)置包括參考點(diǎn)和掃查軌跡。參考點(diǎn) 為頂端中心點(diǎn)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求螺栓端面光滑,無(wú)鐵銹,無(wú)凹坑及 影響探頭移動(dòng)的雜物,無(wú)影響檢測(cè)的障礙物。儀器 校驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)統(tǒng)一使用機(jī)油作為耦合劑。檢測(cè) 時(shí),在 TCG 校準(zhǔn)基礎(chǔ)上再增加6dB作為掃查靈敏 度(H0+6dB)。掃查界面至少應(yīng)顯示 TFM、TFM 成像界面。

4 檢測(cè)結(jié)果及分析

選取2020至2021年度螺栓的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分 析。檢測(cè)螺栓共計(jì) 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(jīng)歷了一個(gè)臺(tái) 風(fēng)季,并未出現(xiàn)纜樁螺栓的斷裂情況。后續(xù)情況還應(yīng)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(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(wú)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)裂紋或微小顯示產(chǎn)生 的深度基本處于距離螺栓端面100mm~160mm 的 關(guān)鍵區(qū)域內(nèi),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(yīng)力最強(qiáng)的區(qū)域,而且易受地下 潮氣、海水腐蝕?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出的斷裂螺栓及其 TFM 圖譜如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)纜樁螺栓進(jìn)行在役檢測(cè),極大地縮短了 檢測(cè)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(zhǔn),制作 圖8 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出的斷裂螺栓及其 TFM 圖譜 螺栓刻 槽 參 考 試 塊,檢 測(cè) 結(jié) 果 表 明,實(shí) 際 裂 紋 的 TFM 圖像與試塊刻槽圖像基本一致。

(3)設(shè)計(jì)的探頭保護(hù)裝置和螺栓專(zhuān)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(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)所有可疑螺栓進(jìn)行監(jiān) 控,有效地減少了返修成本。

(5)利用 TFM 技術(shù)對(duì)在役纜樁螺栓進(jìn)行檢測(cè), 有力監(jiān)控了筆者公司碼頭纜樁螺栓的質(zhì)量,保證了 公司所建造和維修船舶的系泊安全,該技術(shù)值得推 廣應(yīng)用。

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