船舶无损检测开启新纪元

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        有关资料显示，近年来我国发生的多起新建船舶断裂事故，主要原因之一就是焊接缺陷。2007年的6月～10月，鄱阳湖区和赣江发生了7起船舶断裂沉没事故，其中船龄最短的“健鸿”号船投入运营才10来天。经对事故船舶勘验、查证、分析和计算证实，除钢质结构差、[size=+0]造船工艺不合理等原因外，焊角尺寸过小、夹渣、咬边、吹偏、未融合、未焊透等严重焊接缺陷，是这些短命船舶的最致命杀手。
        然而，随着船舶大型化、复杂化和高端化，传统无损检测手段在某些结构复杂部位遭遇了高难度挑战，特别是对高应力区域全熔透角焊缝的检测更显力不从心，创新船舶无损检测技术已经迫在眉睫。

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传统手段遭遇瓶颈

        一艘大船，由成千上万个钢质零构件焊接而成，一旦出现焊接质量问题，当它所受的外力和内应力作用达到一定极限值时，轻则出现裂纹漏水，重则拦腰截断沉没。因此，通过检测手段，全面掌握船舶各部位的焊接质量，及时发现问题，是确保船舶航行安全的重要保障。
        从事船舶设计建造的人都知道，高应力区域全熔透角焊缝是超大型船舶的“命门”，它一般处在船体结构的关键部位，由于焊接量大，易出现裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷。18万吨散货船的货舱槽型舱壁与内底板的连接部位的角焊缝就是全熔透角焊缝。之前为改善其突出的疲劳问题，建造时需采用TIG熔修技术优化表面形状，减少残余应力。此外，角焊缝结构复杂，不便射线检测，常规的超声波技术由于单角度探头的检测盲区导致缺陷检出率低；大合拢焊缝检测时检测距离长，工作量极大。这些高应力区域的焊缝在应力的作用下极易产生疲劳裂纹等缺陷，对船舶结构安全影响非常大。
        船舶大合拢焊缝的十字交*点检测，传统手段一直是采用射线检测法，检测时需中断施工、隔离防护，否则造成环境污染和人身伤害。多年前日本有一部电视剧《血疑》，女主人公幸子的命运牵动了成千上万观众的心。幸子即是因为受射线所害患病。在我国某船厂，曾发生一起用射线检测时遭到在现场工作的外方人员抗议的事情。据相关人员介绍：一名现场检测工作人员一年中接受射线辐射的剂量有严格规定，严格禁止超过规定值。可见射线检测危害之大。
        随着船舶大型化和建造技术的发展，以及公众对安全和环保要求的日益提高，传统的无损检测方法和检测技术如A超、射线、磁粉和渗透等已远远无法满足实际需求，检测技术的变革迫在眉睫。
        作为国家船级社，CCS在船舶检验领域有着突出的科研和技术优势，是中国船舶工业支持保障系统的重要组成部分，同时也是水上安全链中的重要环节。发挥自身优势，将世界先进技术应用于船舶检验领域，CCS能够有所作为。特别是，随着18万吨大型散货船、8530标箱大型集装箱船、30万吨超大型油轮相继加入CCS船队，创新无损检测手段，确保这些船舶中的“贵族”船体结构安全，要求CCS必须有所作为。
        2008年下半年，CCS无损检测试验室成立。一批行业专业人才纷纷加盟，新老研究人员齐心协力，开始了无损检测新技术在18万吨散货船建造检验中的应用研究，即超声相控阵和TOFD技术在船舶结构焊接检测中的开发应用。

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技术变革助力突围

        超声相控阵和TOFD技术一直是近年来各种学术和技术交流会的热点话题。它们如在无损检测行业里冉冉升起的两颗新星，正在给无损检测行业带来一场前所未有的技术变革。经过论证，CCS决定把世界最先进的超声相控阵和TOFD技术引入船舶检测领域。
        超声相控阵和TOFD技术是解决船舶检测瓶颈问题的最有效途径。这两项技术相对于传统检测技术有明显的技术优势：超声相控阵工艺设计灵活，声束覆盖能力强，无需前后移动探头即可实现焊缝区域的完全覆盖，检测速度快；可以根据检测对象的特点选择合适的检测工艺，具有更高的缺陷检出率；缺陷测量、定位准确；检测结果直观，有多种显示方式；检查结果能实时显示，在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判，将检测数据永久保存，等等。所以，基于相控阵技术对复杂焊接结构进行检测，可以通过多种显示方式令焊缝内部情况一目了然。而对于裂纹的检测，可以通过使用相控阵技术观察裂纹尖端衍射信号和根部反射信号综合判断，结果精确可*。
        TOFD技术的优势是缺陷检出率高、现场实施便捷、检测效率高，任何方向的缺陷均难逃脱、缺陷定深和测高精确、能够定期监测裂纹延展的情况、能永久记忆超声成像视图，等等。所以，基于TOFD技术对板对接焊缝进行检测，具有很高的检测精度和效率。尤其对目前的船舶检测中危害较大的裂纹、侧壁未熔合、层间未熔合等缺陷的检测，TOFD技术更是优势突出，社会和经济价值极其显著。
        难得的一点是这两项技术像一只“黑匣子”能够将检测数据永久保存，从而可以对检测对象进行长期监测，为船舶整个生命周期的质量状态分析提供基础，也为相关的规范、标准研究积累了试验室与现场检测资料。
        据研究人员介绍，最具代表性的“角焊缝”检测问题是此次研发的关键点和难点，也是核心技术之一。资料有限，又不能按现有标准设计，那么大胆提出的使用相控阵“扇扫”的方案能否行得通，起初研发人员并没有足够的自信心。可是，等仿真模拟、试样验证、现场检测对比三个阶段依次认真做完，尤其是做完现场对比后效果非常明显。这件事令研究人员意识到：打开思路、意识超前、不拘泥固有想法大胆设想这些特质在研发领域何其重要！
        “大合拢焊缝”同样是具代表性的此次研发的关键点和难点。之前的检测仅能采用常规超声“抽检”，即选取其中的某一段检测。因为大合拢焊缝距离长，工作量大。可是这种利用“概率”抽检的方式虽然快速，但漏检缺陷的可能性非常大，不可避免留下了许多安全隐患。项目研发人员采用TOFD技术，配合使用具有自动跟踪功能的自动爬行器，既能快速扫完大合拢焊缝，完成质量检测，又不需要使用脚手架，无电离防护要求，对现场不产生影响。

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传统难题迎刃而解

        目前，CCS已将超声相控阵和TOFD技术研发成果成功用在了在役船舶、在役海洋平台、在役大型桥梁等大型钢结构和复合材料的检测中，成功解决了常规无损检测方法无法解决的技术难题，为业主创造了巨大的经济和社会效益。
        “河北创新”是世界上第一艘由VLCC油轮改装成的大型散货船。运营5年后，为查验改装效果，需对该船的船舶结构和高应力区产生的疲劳裂纹进行检测。由于裂纹缺陷自身形状的特点，反射信号较弱，因此在对裂纹缺陷检测时除了关注裂纹根部反射信号，还需关注裂纹尖端的衍射信号。采用高灵敏度的超声相控阵扇形扫描方式使裂纹尖端衍射信号容易检出和辨别。在检测数据判读过程中，关注典型的裂纹信号波形，取得了良好的数据判读效果。同时，首个五年检测后，可将高应力区留下的检测记录作为下一个五年特检裂纹扩展情况的跟踪奠定基础。每年年检时，验船师据检测报告即可有针对性地加强对相关结构的检查。
        CCS在为中海油一座海洋平台“海油935”的一次检测中，使用超声相控阵技术也取得了显著的效果。“海油935”平台桩靴出现了裂纹，但无法确定裂纹深度，整个平台的安全无法保障，不能出海工作。同时，坞期很紧，平台不能进坞维修。由于技术限制和角接结构特点及现场条件限制，射线、磁粉技术都无济于事；常规超声检测由于信号复杂，难于判断。CCS采用超声相控阵技术前后检测两次，对相同部位裂纹进行跟踪，有效监控了裂纹扩展情况，使该平台继续服役四个月。按平台日租金70余万元算，为业主节约资金数以千万计。
        在桥梁桥面板裂纹检测中，TOFD技术则更是发挥了传统检测法无可比拟的优势。对于某座长约1000米的主桥面板下焊缝疲劳裂纹，业主提出要在短时间内准确检出缺陷，给出疲劳裂纹的深度，又要保证其他车道的畅通。业主邀请了国内多家知名检测机构使用传统检测方法试验后，效果不理想。CCS用TOFD检测技术，在其他车道畅通无阻的情况下，平均每天每台仪器完成检测400到600米。将缺陷数据存储，在桥面板上明确标出缺陷位置、长度和深度，焊接维修人员紧随其后，修补工作与检测工作同时完成。整个桥梁的每一个车道检测历时不超7天，完成检测距离近2万米。以60元/辆计，为业主挽回损失数千万元。
        实践证明，超声相控阵和TOFD技术就像船舶焊接缺陷的“克星”，在保证船舶结构安全上发挥着巨大的作用。将超声相控阵和TOFD技术用于船舶领域，中国船级社可谓是“第一个吃螃蟹的人”。2010年5月6日，来自国内多所著名研究院所和高等院校、航空航天、海上石油、船舶建造、海军等行业的专家济济一堂，兴致勃勃听取了CCS的项目研发报告，并观看了CCS自主研发的3种规格相控阵探头、系列楔块及应用于现场的5款扫查装置等产品。其中，专家们对采用模块化设计、具有视频监视功能的多用途扫查器MAIC-1赞许有加，认为该扫查器在远程摇控操作等方面具有创新性，填补了船舶行业的应用空白；相控阵探头和楔块制作工艺水平达到了国外同类产品的水平。
        专家们组成的鉴定委员会一致认为：该项目首次将超声相控阵和衍射时差技术应用于船舶领域，成果达到国际先进水平。可以肯定，这项技术的研发应用成功将引起船舶检验、检测技术发生一场观念性的变化，整体提高国内制造业技术水平，加速我国由世界造船大国到造船强国的转变。

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延伸阅读

        超声相控阵技术诞生于20世纪50年代，广泛应用于医学领域，上个世纪90年代后，才开始在航天、石油天然气、核电等工业领域应用。TOFD技术是一种通过接收缺陷端部发出的超声衍射信号来检出缺陷并对其进行精确定量的检测技术，目前国外在核工业、电力、石油、天然气和石油化工等工业领域都有应用。美国和欧盟等对其制定了验收标准。这两项技术虽说国内引进相对较晚，但由于优点突出，一经引进很快被国内学术界推崇。我国核电、压力容器等领域都对此开展了积极研究，2009年底，参照欧盟的标准，我国也颁布了相应的TOFD技术标准。