船舶超声波检测工艺及设备

10.4.1　船舶超声波检测工艺及设备

10.4.1.1　超声波检测原理

波分两大类：电磁波和机械波。电磁波是由电磁振荡产生的变化电场和变化磁场在空间的传播过程。机械波是机械振动在介质中的传播过程。无线电波、紫外线、伦琴射线和可见光等均属电磁波的范围；水波、声波、超声波均属机械波的范畴。

如果以频率f来表征声波并以人的可感频率为分界线，则可将声波划分为次声波（f＜20Hz）、可闻声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f＞20kHz）。在超声波检测中，最常使用的频率范围为0.5～10MHz。超声波检测就是利用超声波在被检测材料中传播时，根据被检测材料及其缺陷所显示的声学特性对超声波的影响来探测被检材料缺陷的方法。这种方法是目前应用最广泛的无损检测技术之一。

超声波检测方法在建造新船和修理舰船时用于船体结构或修理构件的材料和部件的检测，使舰船满足预期的质量水平，性能符合设计要求。超声波检测在海军的和商用的造船厂都被采用，应用的广泛程度取决于舰船的类型、工作环境和用途。哪些材料和部件需要检测以及实施检测和判定的规范应由舰船的设计人员或船东制定。

超声波之所以广泛地应用于无损检测，是因为超声波具有指向、穿透、反射、折射、波型转换等声学特性见图10.4－1。

图10.4－1　超声波的声学特性图

在超声波检测中，按照质点振动方向与波传播方向的关系来区分的超声波类型称为波型。超声波的波型主要有纵波、横波、表面波和板波，分别用于不同被检对象。

超声波在传播过程中，传播的距离和时间成正比，可有效确定缺陷的位置，简称定位。

超声波传播过程中能量（或声压）逐渐减弱的现象称为超声波衰减，引起超声波衰减的主要原因是声束扩散、晶粒散射和介质吸收三个方面。衰减系数的大小反映了材料（或缺陷）对超声波的衰减程度，利用超声波在不同介质界面的回波高度变化，可用来对缺陷的定量。

超声波回波提供的缺陷位置，回波的大小，波的动态波形结合原材料或加工工艺可能产生的缺陷，估计缺陷的性质，称为定性。

10.4.1.2　超声波检测设备和器材

1）超声波仪器

船用超声波仪器大都是便携式，近几年发展很快，目前基本完成了从模拟机向数字机发展的过程，大大提高了操作的方便性和正确性，国产超声波仪质量得到了大幅度的提高，拥有了自己的软件系统和中文菜单。图10.4－2是部分国产超声波探伤仪。

图10.4－2　国产超声波探伤仪

2）超声波检测探头

超声波探头也称为超声换能器，根据探头结构和用途，一般分为纵波探头（直探头）、横波探头（斜探头）、双晶探头、水浸聚焦探头，聚焦斜探头，如图10.4－3所示。应根据不同的检测对象、检测工艺要求、预期检出缺陷的方向和大小来选择合适的探头。

3）超声波检测试块

超声波检测试块就是具有人工缺陷参考反射体的试件，通常分标准试块和对比试块两种：标准试块用于超声波仪器性能测试和探头调试，对比试块用于检测过程中缺陷大小的比较测定。反射体是超声波遇到声阻抗改变时产生反射的物体界面，形状符合一定规范标准要求的反射体称为规则反射体，超声波检测中常用到的规则反射体有大平底、平底孔、横孔等，规则反射体通常是由人工制作的，常称为人工规则反射体，也称为人工缺陷。

标准不同，所用的试块不同，采用的参考反射体也不同。常用的试块有IIW，CSK－1A，CSK－1B，IIW2，STBAII，半圆试块，RB－1，RB－2试块等（见图10.4－4）。

4）超声波检测耦合剂

为改善探头与工件之间的声能传递，在超声波探头与被检工件之间必须施加耦合剂，常用的耦合剂有水、甘油、机油和化学浆糊，不管用什么耦合剂，必须不破坏被检件的使用和加工性能，并有良好的耦合和透声性能，对环境不造成污染，对人体无害。

10.4.1.3　船舶超声波检测工艺

1）船用钢板超声波检测工艺

钢板超声波探伤首先要了解技术要求和选用的标准，按照钢板厚度的不同选择合适的探伤方法并调整检测灵敏度。检测前，在钢板上先去除氧化皮等污染物并划出200mm×200mm的格子线，然后，探头在线上进行检测，发现缺陷确定其面积，按标准进行评定。在焊接周围位置，一般在50mm范围内还需要进行100%检测。具体流程见图10.4－5。

图10.4－3　超声波检测探头

图10.4－4　超声波检测的常用试块

图10.4－5　船用钢板超声波检测工艺流程图

2）船体结构焊缝超声波检测工艺

船体结构焊缝超声波探伤前必须对检测部位进行打磨等表面准备，探伤人员按设计要求选择标准。根据具体的母材厚度确定检测方法，检测面，探头及进行灵敏度调节。检测时发现超标缺陷按标准进行评定，不合格返修后必须进行复检，局部检测时发现不合格，需扩大检测范围以保证整条焊缝的质量要求。具体见图10.4－6船体结构焊缝超声波探伤的工艺流程图。

图10.4－6　船体结构焊缝超声波检测工艺流程图

（1）探头参数的选择。探头参数的选择包括检测频率选择和折射角β或K值（折射角的正切值）的选择。焊缝的晶粒比较细小或板厚较小时，可选用较高的频率。对于板厚较大、衰减明显的焊缝，应选用较低的频率。探头折射角或K值的选择应从以下三方面考虑：使声束能扫查到整个焊缝截面；使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直；保证有足够的检测灵敏度。

关于缺陷种类的考虑，主要是根据各种缺陷的产生部位、缺陷的取向，保证声束可以到达缺陷部位，且声束入射方向尽量与缺陷主反射面垂直。如检测坡口面未熔合，应根据坡口的角度选择合适的折射角β或K值，使声束尽量与坡口面垂直。

（2）检测仪器的调整。是指基线的调节。横波斜探头调节水平基线的方法，有声程调节法、水平调节法和深度调节法。在用K探头进行焊缝检测时，用后两种调节法对计算缺陷位置较为方便。声程调节法多用于直探头。近年来，数字式仪器在焊缝检测中应用较广，因其可自动给出缺陷的各位置参数，通常采用声程调节法。

（3）距离－波幅（DAC）曲线。描述某一确定反射体回波高度随距离变化关系的曲线称为距离－波幅曲线。焊缝检测中常用的距离－波幅曲线如图10.4－7所示。

图10.4－7　距离－波幅曲线示意图

按照GB11345－89标准，距离－波幅曲线由定量线、判废线和评定线组成。评定线和定量线之间（包括评定线）称为Ⅰ区，定量线与判废线之间（包括定量线）称为Ⅱ区，判废线及其以上区域称为Ⅲ区。距离－波幅曲线所代表的灵敏度如表10.4－1所示。其中基准线DAC是以φ3 mm横孔绘制的距离－波幅曲线。

表10.4－1　GB11345规定的距离－波幅曲线的灵敏度

（4）扫查方式。通常检测纵向缺陷时，将探头放在焊缝一侧，声束方向垂直于焊缝轴线，沿锯齿形路线进行扫查，同时可用前后扫查、左右扫查、环绕扫查和转角扫查四种基本扫查方式，目的是发现焊缝中的缺陷。扫查时，探头要作10°～15°的转动，以便发现与焊缝倾斜的缺陷，相邻两次探头移动的间距保证至少有探头宽度10%的重叠，斜平行扫查、平行扫查和交叉扫查均是为了发现横向缺陷。如图10.4－8所示。

（5）缺陷的评定：

①缺陷位置的确定。焊缝中发现缺陷以后，可根据缺陷回波在时基线上的位置，确定缺陷的水平位置与垂直深度，但焊缝缺陷的定位还需考虑一个特殊的问题，就是要确定缺陷是否在焊缝中，在平板对接焊缝无损检测时，一般情况下，探头不在焊缝上，声束经过的路径中有很大部分是通过母材的。因此，有时荧光屏上出现的缺陷回波并不是焊缝中的缺陷，如果将此缺陷回波误认为是焊缝中的缺陷，就会给焊缝质量评定及焊缝返修带来错误。所以，在焊缝无损检测缺陷定位时，首先要确定缺陷是否在焊缝中如图10.4－9所示。一般在缺陷波幅度最大时的探头实际位置直接用尺子量出I_f所对应的缺陷位置，从而直接判断缺陷是否在焊缝中。

②缺陷幅度的确定。焊缝检测中发现缺陷信号以后，先要确定缺陷信号的最大幅度在距离－波幅曲线上所在的区域。然后判断是否需要测定缺陷指示长度和进行评定。

图10.4－8　基本扫查法和扫查路径图

图10.4－9　焊缝检测缺陷位置的确定图

③缺陷指示长度的测量。缺陷指示长度的测定，不同的标准有不同的方法。测长方法有绝对灵敏度方法和相对灵敏度方法。后者是指一般当缺陷波只有一个高点时，用6 dB法测其指示长度，即把缺陷反射的最高波找到，然后探头移动，使波高下降到一半，测出的长度为缺陷的指示长度。绝对灵敏度法测长则是指把探头移动使波高降到一定的高度时测出的长度。

④缺陷的评定。超声波检测过程中发现超过定量线的缺陷时，要测定缺陷的位置、当量大小和指示长度。通过对其当量、指示长度和性质的分析，判定是否符合标准要求，而超声波对缺陷性质的判断需要有非常丰富的经验。

3）船用铸钢件超声波检测工艺

—船用铸件由于形状复杂、表面粗糙、晶粒粗大，透声性差，工件内部的散射吸收大等特点，所以一般选择低频探头。

—灵敏度调整：JCSS标准（船用铸钢件检查标准）规定是使用同声程的直径5.6mm平底孔或V15－5.6作为标准灵敏度调整，ASTM（美国材料试验标准）规定的是用同声程的直径6.35mm（1/4″）平底孔调整为标准灵敏度。

—对焊补区域除了常规的纵波检测外，还须对焊接区域和焊接邻接区进行横波扫查，防止焊补不当或热处理不当而引起裂缝，检测灵敏度要求在标准灵敏度基础上提高6dB。

船用铸钢件超声波检测前，探伤人员必须按设计要求先确定检测部位和检测深度的要求，同时，对被检部位进行打磨等表面准备，然后，按标准根据材料厚度确定检测方法，检测面，探头及进行灵敏度调节。检测时，发现超标缺陷按标准进行评定，不合格返修后必须进行复检。具体流程见图10.4－10。

图10.4－10　船用铸钢件超声波检测工艺流程图

4）船用锻钢件超声波检测工艺

（1）船用锻钢件的超声波检测用得较多的是≥200mm直径的船用轴类。这些轴类大部分缺陷的取向与轴线平行，锻件的晶粒一般比较细小，无损检测应在热处理后，加工键槽和钻孔前进行。

（2）船用锻钢件一般选用频率2～5MHz，晶片直径14～24mm的探头。检测灵敏度调节一般采用试块法、比较法、当量计算法和AVG曲线法等，以当量计算法为较常用。