鄧 丹，高翌飛，張澤義，胡躍剛，曹海靜

(1.中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100006;2.科蘭世檢測(cè)技術(shù)(北京)有限公司，北京 100006)

艉軸管的超聲相控陣檢測(cè)

鄧 丹1，高翌飛1，張澤義2，胡躍剛2，曹海靜1

(1.中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100006;2.科蘭世檢測(cè)技術(shù)(北京)有限公司，北京 100006)

艉軸管屬于大型管狀鑄鍛件，使用常規(guī)超聲方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，內(nèi)壁檢測(cè)區(qū)域大，手工檢測(cè)效率低，工程實(shí)施性差?？紤]到超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有C掃描成像功能、動(dòng)態(tài)深度聚焦功能及掃查速度快等特點(diǎn)，將相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用于艉軸管的檢測(cè)中，并使用常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)艉軸管進(jìn)行復(fù)檢；對(duì)比兩者檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的艉軸管超聲相控陣檢測(cè)方案是可行、可靠的，并且具有常規(guī)超聲檢測(cè)無(wú)法比擬的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。

艉軸管；鑄鍛件；超聲相控陣；常規(guī)超聲

圖1 某艉軸管的實(shí)物圖片

船舶軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，軸系的構(gòu)件有螺旋槳軸、中間軸、推力軸、軸承、尾管及其密封裝置等。常規(guī)船舶一般為尾機(jī)艙，且螺旋槳產(chǎn)生的推力由減速齒輪箱承受，因此軸系中一般僅設(shè)尾軸(螺旋槳軸)。艉軸管作為自航船中傳遞力矩最大的構(gòu)件[1]，其質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系到主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還將直接影響船舶的安全航行。艉軸管屬于大型管狀鑄鍛件，一般其內(nèi)孔為等直徑孔，壁厚沿軸線方向變化,圖1為某艉軸管的實(shí)物圖片。艉軸管從鑄鍛件廠生產(chǎn)到安裝至船體上的過(guò)程中，從對(duì)原始柱狀件鏜孔后還需進(jìn)行兩次車加工：第一次是鏜孔后由廠家粗車；第二次是艉軸管運(yùn)到船廠之后，在安裝艉軸管的過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)精確對(duì)中，配合軸管直徑大小，還需進(jìn)行多余厚度的精車。因鑄件本身質(zhì)量不易控制，常在精車過(guò)程中出現(xiàn)如氣孔、沙眼、甚至大面積空洞等缺陷。對(duì)于艉軸管的內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)，目前常用的無(wú)損檢測(cè)方法為傳統(tǒng)超聲檢測(cè)。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)時(shí)，內(nèi)壁檢測(cè)區(qū)域大、手工檢測(cè)效率低、工程實(shí)施性差。

而超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有的C掃描成像功能，可以更直觀地顯示缺陷以及缺陷尺寸，完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域的完整覆蓋；動(dòng)態(tài)深度聚焦功能可以實(shí)現(xiàn)不同深度的聚焦，提高各個(gè)檢測(cè)位置的靈敏度及信噪比。這兩點(diǎn)對(duì)晶粒本身就比較粗糙的艉軸管鑄件來(lái)說(shuō)尤為重要，十分適合于提高缺陷的分辨力[2-4]，而且相控陣線性掃查速度比常規(guī)超聲檢測(cè)探頭的光柵掃查速度要快得多，可大幅提高艉軸管的檢測(cè)效率。因此，筆者將超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于艉軸管缺陷的檢測(cè)中：首先參考鑄鍛件超聲波檢測(cè)及超聲相控陣檢測(cè)通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，制作對(duì)比試塊進(jìn)行探索性試驗(yàn)，用以確定合適的檢測(cè)器材、耦合劑，以及超聲相控陣的檢測(cè)范圍等條件。在此基礎(chǔ)上對(duì)艉軸管實(shí)物進(jìn)行正式檢測(cè)，以驗(yàn)證超聲相控陣技術(shù)的實(shí)物檢測(cè)效果，并使用常規(guī)超聲檢測(cè)進(jìn)行復(fù)檢，對(duì)比兩者的檢測(cè)結(jié)果，最后對(duì)超聲相控陣檢測(cè)艉軸管技術(shù)的檢測(cè)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行分析總結(jié)。

1 艉軸管超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 檢測(cè)儀器及探頭

艉軸管超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)采用奧林巴斯公司的超聲相控陣檢測(cè)儀Omniscan MX2，配置32/128PR相控陣模塊進(jìn)行。相比于常規(guī)超聲檢測(cè)儀，超聲相控陣檢測(cè)儀具有高采集速率和實(shí)時(shí)彩色成像等功能，檢測(cè)結(jié)果可實(shí)現(xiàn)S掃、B掃和C掃顯示，可更為有效地進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)檢測(cè)，便于缺陷判讀。鑄鍛件中多數(shù)缺陷的取向具有一定的規(guī)律，即鍛壓后的缺陷以平面型缺陷為主，平面型缺陷的方向與鍛壓方向垂直，因此，鑄鍛件檢測(cè)主要使用縱波直探頭進(jìn)行。艉軸管超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)采用5L64-A2線掃探頭，配套0°掃查楔塊。超聲相控陣檢測(cè)儀Omniscan MX2、5L64-A2線掃探頭和0°掃查楔塊實(shí)物圖片如圖2所示。

圖2 檢測(cè)儀器、探頭及楔塊實(shí)物圖片

1.2 對(duì)比試塊的制作 按船廠的檢測(cè)要求，對(duì)艉軸管內(nèi)壁進(jìn)行全范圍的掃查，需要全面反映出內(nèi)壁壁厚10～30 mm范圍內(nèi)鑄件的質(zhì)量，參考EN12680-3:2011UltrasonicTestingPart3:SpheroidalGraphiteCastIronCastings標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)比試塊反射體類型選為平底孔，起始靈敏度要求至少為φ3 mm平底孔。在與被檢艉軸管工件材質(zhì)、表面粗糙度和聲程相同的對(duì)比試塊上加工一組埋深分別為5,10,15,20,25,30 mm的φ3 mm平底孔，以此作為對(duì)比試塊。對(duì)比試塊中平底孔深度最大為30 mm，滿足了艉軸管的檢測(cè)要求。

圖3 掃查器實(shí)物圖片

1.3 掃查器

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)艉軸管內(nèi)壁的全范圍自動(dòng)掃查，設(shè)計(jì)了具有周向旋轉(zhuǎn)裝置和軸向推進(jìn)裝置的掃查器，可實(shí)現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)和軸向推進(jìn)動(dòng)作，掃查器樣機(jī)實(shí)物圖片如圖3所示。周向旋轉(zhuǎn)裝置加載壁上的安裝孔和彈簧可以調(diào)節(jié)探頭與管內(nèi)壁的接觸力；軸向推進(jìn)裝置采用四輪組結(jié)構(gòu)，每個(gè)輪組均為磁性且接觸面為球面，可與管內(nèi)壁曲面大面積貼合，保證周向旋轉(zhuǎn)時(shí)掃查器底座不動(dòng)和行走時(shí)沿軸向直線運(yùn)動(dòng)。掃查器的周向編碼分辨率為36步/mm，軸向步進(jìn)編碼分辨率為999步/mm。

2 檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)

被檢艉軸管長(zhǎng)為2 m，直徑為990 mm，將艉軸管按周向和軸向方向劃分為多段，采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)艉軸管實(shí)物內(nèi)壁進(jìn)行分段掃描檢測(cè)，內(nèi)壁掃描展開(kāi)圖如圖4所示，檢測(cè)工藝為：

(1) 檢測(cè)探頭為5L64-A2線掃探頭，配合0°掃查楔塊，檢測(cè)頻率選用5 MHz。

(2) 耦合劑選用水，耦合效果良好，聲能在界面的損失小。

(3) 相控陣探頭聚焦深度設(shè)置為30 mm。

(4) 以5L64-A2探頭在對(duì)比試塊上的φ3 mm平底孔上制作的TCG(深度補(bǔ)償)曲線為基準(zhǔn)靈敏度，提高12 dB作為表面耦合補(bǔ)償。

(5) 掃查器周向旋轉(zhuǎn)裝置和軸向推進(jìn)裝置調(diào)整到艉軸管檢測(cè)起始位置后，將當(dāng)前位置設(shè)置成相對(duì)零點(diǎn)，以后的各種運(yùn)動(dòng)都參考零點(diǎn)輸出編碼器的數(shù)值，掃查器周向旋轉(zhuǎn)線速度設(shè)置為50 mm·s-1，軸線步進(jìn)速度為20 mm·s-1。掃查過(guò)程中要注意使探頭加載臂處于良好的平衡狀態(tài)，從而保證探頭與工件的耦合效果。

圖4 艉軸管的內(nèi)壁掃描展開(kāi)圖

經(jīng)檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)15處缺陷，缺陷數(shù)據(jù)如表1所示。以3號(hào)缺陷的超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果為例，其對(duì)應(yīng)的相控陣超聲掃描結(jié)果圖像如圖5所示，圓圈內(nèi)分別為該缺陷的A掃(上左)、B掃(上右)及C掃(下部)顯示。

圖5 艉軸管3號(hào)缺陷的超聲相控陣掃描結(jié)果

表1 艉軸管超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果 mm

2.2 與常規(guī)超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

將超聲相控陣檢測(cè)出的15處缺陷在艉軸管上做好標(biāo)記，使用常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)這15處缺陷均能被檢測(cè)出。

將超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)超聲檢測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)1～12號(hào)，14號(hào)、15號(hào)缺陷的超聲相控陣和常規(guī)超聲的檢測(cè)結(jié)果基本相符，長(zhǎng)度誤差在2 mm以內(nèi)；13號(hào)缺陷的常規(guī)超聲檢測(cè)得到的長(zhǎng)度測(cè)量值35 mm大于超聲相控陣檢測(cè)得到的長(zhǎng)度測(cè)量值9 mm，這是由于在超聲相控陣檢測(cè)得到的13號(hào)缺陷的C掃描圖(見(jiàn)圖6)中，相鄰的一些小缺陷顯示可以被明顯地加以區(qū)分出來(lái)，從而可得到密集缺陷區(qū)的更準(zhǔn)確的缺陷長(zhǎng)度方向的尺寸，而常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果主要依靠A掃描視圖，對(duì)于艉軸管鑄件內(nèi)密集小缺陷區(qū)的每個(gè)缺陷較難區(qū)分，易將相鄰的缺陷計(jì)為一個(gè)缺陷，因此常規(guī)超聲最后檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度偏大。

圖6 艉軸管13號(hào)缺陷的C掃描圖

總體上，從超聲相控陣和常規(guī)超聲的對(duì)比檢測(cè)結(jié)果,可驗(yàn)證筆者設(shè)計(jì)的艉軸管的超聲相控陣檢測(cè)方案是可行、可靠的。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)相控陣超聲和常規(guī)超聲的對(duì)比檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)艉軸管檢測(cè)的可行性，使用該技術(shù)可有效檢測(cè)出艉軸管所關(guān)注區(qū)域的內(nèi)部缺陷。

(2) 配備專門(mén)的掃查器，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可對(duì)艉軸管實(shí)現(xiàn)100%全覆蓋檢測(cè)，可全自動(dòng)掃查并輸出二維位置編碼信息，檢測(cè)穩(wěn)定高效、檢測(cè)速度快，具有手工檢測(cè)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

(3) 相比于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)C掃描成像的缺陷檢測(cè)方式，缺陷檢出率高，可以從圖像上清晰地分辨出相鄰較近的缺陷，因此可更準(zhǔn)確地測(cè)量密集缺陷區(qū)的缺陷尺寸。

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The Ultrasonic Phased Array Inspection of Stern Tube Shaft

DENG Dan1, GAO Yifei1， ZHANG Zeyi2, HU Yuegang2, CAO Haijing1

(1.CCSNDT Lab., Beijing 100006， China;2. CCSNDT Technologies Ltd., Beijing 100006, China)

As a kind of large tubular casting and forging, the stern tube shaft was usually detected by conventional ultrasonic testing method, resulting to low manual inspection efficiency and poor engineering implementation due to its large inspection area of the inner wall. Considering the C scan imaging function, the characteristics of dynamic depth focusing function and scanning speed of ultrasonic phased array testing technology, the ultrasonic phased array technique is applied to detect such stern tube shafts. Comparison with the results of conventional ultrasonic testing has proven that the designed scheme of ultrasonic phased array for stern tube shaft is feasible, reliable and has incomparable advantages.

stern tube shaft; casting and forging; ultrasonic phased array; conventional ultrasound

2017-05-19

鄧 丹(1987-)，女，碩士，主要從事超聲、電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

鄧 丹, ddeng@ccsi.com.cn

10.11973/wsjc201708009

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0037-04