鄧 丹，胡振龍，李運(yùn)濤

(1.中國船級社實(shí)業(yè)有限公司，北京 100006；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

船舶營運(yùn)過程中，長期處于海水浸泡、非常溫等環(huán)境中，焊縫很可能會發(fā)生材料劣化、蠕變開裂、疲勞斷裂。焊縫表面裂紋作為一種嚴(yán)重威脅船舶安全的缺陷，通常使用磁粉或滲透方法來進(jìn)行檢測。在船舶建造階段對船舶焊縫表面進(jìn)行磁粉檢測、滲透檢測時，現(xiàn)場對被檢工件表面光照度有要求，檢測結(jié)果不便于數(shù)字化處理，且由于化學(xué)試劑的使用，檢測工序?qū)Νh(huán)境有一定污染；在船舶營運(yùn)過程中，對船舶焊縫表面進(jìn)行磁粉檢測、滲透檢測時，除了存在上述建造階段的局限，往往還需要去除焊縫表面涂層來保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，工序繁瑣，檢測效率低，且檢測后重涂涂層的防銹蝕效果必然受到影響[1-2]。

渦流檢測作為一種高效、綠色、環(huán)保的無損檢測技術(shù)，操作便捷，不需要進(jìn)行表面耦合，適用于大部分條件苛刻的檢測環(huán)境，在工業(yè)各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[3-4]。在船舶領(lǐng)域，渦流檢測技術(shù)的一個重要特點(diǎn)就是能夠隔著一定厚度的涂層對焊縫表面與近表面進(jìn)行初步檢測，世界上幾個主要船級社都已認(rèn)可了這種方法，如英國勞氏船級社、美國船級社和挪威船級社等都已發(fā)布了相關(guān)渦流檢測技術(shù)指導(dǎo)性文件[5]。陣列渦流檢測將多個渦流檢測線圈進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)封裝，借助計(jì)算機(jī)對激勵次序進(jìn)行快速控制和處理，從而實(shí)現(xiàn)對材料和零件的快速、有效檢測，是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、智能信號處理技術(shù)的綜合技術(shù)[6]。

船舶焊縫疲勞裂紋大多發(fā)生于表面，筆者參考標(biāo)準(zhǔn)ASME BPC.—2019:第8條 強(qiáng)制性附錄 X 《陣列渦流檢測鐵磁性和非鐵磁性焊縫表面開口缺陷》制作對比試樣，并在此基礎(chǔ)上對對比試樣進(jìn)行陣列渦流檢測試驗(yàn)，研究分析了有無模擬涂層下不同位置刻槽的檢測能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，陣列渦流檢測技術(shù)能滿足船舶碳鋼焊縫表面無損檢測的要求，可檢測出有危險性的裂紋缺陷，可穿透表面非導(dǎo)電涂層，特別是在檢測效率、信號顯示等方面，陣列渦流檢測技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。

1 帶涂層焊縫陣列渦流檢測系統(tǒng)

1.1 檢測儀器及探頭

陣列渦流檢測試驗(yàn)采用由Eddyfi公司生產(chǎn)的Ectane型陣列渦流檢測儀，探頭為ECA-PDD-056-250-032-N03S型襯墊式陣列渦流探頭，檢測儀器及探頭實(shí)物如圖1所示。所用探頭可適應(yīng)焊縫的走向，線圈直徑為3.5 mm，線圈數(shù)量為32，通道數(shù)量為60(30個位縱向，30個位橫向)，可同時檢測出不同方向的缺陷，適用于焊縫檢測區(qū)域?qū)挾?含焊縫和熱影響區(qū))不超過56 mm。

圖1 檢測儀器及探頭實(shí)物

1.2 對比試樣的制作

參考標(biāo)準(zhǔn)ASME BPC.—2019:第8條 強(qiáng)制性附錄 X 中對比試樣制作要求(見圖2)，選用20碳鋼材料制作對比試樣，分別在焊縫、焊縫熔合線、熱影響區(qū)中加工平底孔和表面刻槽(ASME標(biāo)準(zhǔn)中母材上有4號、7號、11號、16號和17號缺陷未涉及該研究，故不做說明)。

圖2 ASME標(biāo)準(zhǔn)中的試樣制作要求示意

20碳鋼對比試樣焊縫缺陷如圖3所示，其平底孔及刻槽的位置及尺寸如表1所示。

圖3 20碳鋼對比試樣焊縫缺陷位置示意

表1 20碳鋼對比試樣焊縫平底孔及刻槽的位置及尺寸 mm

2 檢測試驗(yàn)

2.1 無涂層焊縫試樣陣列渦流檢測試驗(yàn)

2.1.1 工藝參數(shù)設(shè)置原則

(1) 頻率。

頻率選擇時應(yīng)使提離信號、其他不希望出現(xiàn)的干擾信號與缺陷響應(yīng)信號的相位差最大化。

(2) 相位調(diào)節(jié)。

相位調(diào)節(jié)應(yīng)有利于缺陷響應(yīng)信號與提離干擾信號的區(qū)分和識別，通常將提離信號的相位調(diào)節(jié)為水平方向。渦流響應(yīng)信號會隨著檢測頻率的改變而變化，在改變檢測頻率的同時應(yīng)重新調(diào)節(jié)提離信號的相位，使其處于水平方向。

缺陷響應(yīng)信號與提離信號之間應(yīng)有盡可能大的相位差，必要時，可通過調(diào)節(jié)缺陷響應(yīng)信號的垂直、水平比來增大缺陷響應(yīng)信號與提離信號間的相位差。

(3) 探頭驅(qū)動和探頭增益。

調(diào)節(jié)探頭驅(qū)動和探頭增益，直到缺陷基于幅度的數(shù)據(jù)信噪比大于3。

(4) 濾波。

干擾信號影響檢測靈敏度時，可使用濾波方法過濾干擾信號，保留缺陷信號。

(5) 調(diào)色板設(shè)置。

調(diào)色板的選擇和調(diào)整，應(yīng)能夠區(qū)分相關(guān)顯示與非相關(guān)顯示信號。

(6) 編碼器分辨率設(shè)置。

按編碼器標(biāo)識或校準(zhǔn)結(jié)果設(shè)定編碼器分辨率，所選用編碼器分辨率不應(yīng)超過0.38 mm/采樣點(diǎn)。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

按上述原則進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置，要求對比試樣上所有平底孔及刻槽缺陷信號基于幅度的數(shù)據(jù)信噪比不小于3，無涂層20碳鋼對比試樣渦流檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 無涂層20碳鋼對比試樣渦流檢測結(jié)果

由圖4可以看出，20碳鋼對比試樣焊縫、焊縫融合線、熱影響區(qū)上制作加工的橫向、縱向、45°斜向表面刻槽及平底孔均被檢出。說明試驗(yàn)所采用的陣列渦流檢測方法能夠滿足對碳鋼焊縫表面開口缺陷的檢測要求，并具有以下檢測特點(diǎn)：① 檢測結(jié)果包含阻抗平面顯示、時基信號顯示、二維C掃描顯示等，數(shù)據(jù)信息豐富；②顯示清晰、直觀，利用二維C掃描顯示可以很直觀地讀出缺陷所處的位置關(guān)系；③ 陣列探頭尺寸較大，掃查覆蓋區(qū)域大，一次檢測過程相當(dāng)于傳統(tǒng)的單個渦流檢測探頭對部件受檢面進(jìn)行反復(fù)往返步進(jìn)掃描的檢測過程，檢測效率高，試驗(yàn)所用陣列探頭的寬度可覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，可同時兼顧焊縫及熱影響區(qū)區(qū)域的檢測。

2.2 帶模擬涂層試樣渦流檢測試驗(yàn)

選用20碳鋼對比試樣為檢測對象，采用陣列渦流檢測方法對其進(jìn)行不同模擬涂層厚度下的檢測試驗(yàn)。船殼涂層總厚度一般不超過0.5 mm，為此選用0.5 mm厚的絕緣塑料薄片用于模擬工件表面的油漆涂層(見圖5)。陣列渦流檢測中，可檢測的涂層厚度與所選用陣列探頭線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)，該試驗(yàn)采用襯墊式陣列渦流探頭。

圖6 含模擬涂層對比試樣渦流檢測現(xiàn)場

含模擬涂層對比試樣渦流檢測現(xiàn)場如圖6所示，檢測時將探頭直接放置在20碳鋼焊縫試樣表面，分別選取1，2，3張0.5 mm厚的塑料薄片，放置在焊縫試樣表面，即分別模擬0.5，1.0，1.5 mm厚的涂層。

含0.5 mm厚模擬涂層的20碳鋼對比試樣陣列渦流檢測結(jié)果如圖7所示，可以看出，涂層厚度為0.5 mm時，除5號熱影響區(qū)45°刻槽顯示較弱外，對比試樣上其他刻槽的檢測未受影響。

圖7 含0.5 mm厚模擬涂層20碳鋼對比試樣檢測結(jié)果

含1.0 mm厚模擬涂層的20碳鋼對比試樣陣列渦流檢測結(jié)果如圖8所示，可見，除5號熱影響區(qū)45°刻槽及6號焊縫融合線45°刻槽顯示較弱外，對比試樣上其他刻槽的檢測未受影響。

圖8 含1.0 mm厚模擬涂層20碳鋼對比試樣檢測結(jié)果

含1.5 mm厚模擬涂層的20碳鋼對比試樣陣列渦流檢測結(jié)果如圖9所示，可見對比試樣上刻槽及平底孔的顯示均很弱。

圖9 含1.5 mm厚模擬涂層20碳鋼對比試樣檢測結(jié)果

筆者分析，當(dāng)模擬油漆超過1 mm時，模擬用塑料薄片加厚后一定程度上不能完全貼合表面，故缺陷顯示不具參考性。模擬涂層與表面貼合的問題使得該位置處的缺陷實(shí)際提離高度比較大，造成該位置缺陷信號變?nèi)跎踔翢o法檢出，如5號熱影響區(qū)45°刻槽及6號焊縫融合線45°刻槽位置。

3 結(jié)語

以20碳鋼焊縫為試驗(yàn)對象，在焊縫、焊縫融合線、熱影響區(qū)上制作加工橫向、縱向、45°斜向表面刻槽及平底孔，并分別開展無涂層和帶涂層的渦流陣列檢測試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1) 陣列渦流檢測技術(shù)能滿足船舶碳鋼焊縫表面無損檢測的要求，可檢測出有危險性的裂紋缺陷；相比于其他表面檢測技術(shù)，陣列渦流檢測具有檢測效率高、數(shù)據(jù)信息豐富、可C 掃成像和易于歸檔等特點(diǎn)。

(2) 陣列渦流檢測可穿透表面非導(dǎo)電涂層，可穿透的涂層厚度與所選用的陣列探頭線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)，不同位置刻槽的涂層檢測顯示能力存在區(qū)別，這對在役船舶的帶涂層焊縫疲勞裂紋檢測具有參考意義。