摘 要:制定了在役缆桩螺栓的相控阵超声全聚焦检测工艺,设计了检测工装及设备保护工 装,利用全数据储存与分析方法,对在役缆桩螺栓进行检测与监控,为船舶系泊安全保驾护航。

关键词:相控阵超声;全聚焦法;在役;螺栓

中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2022)09-0058-05

固定缆桩与地面桩基的缆桩螺栓一般服役于高 湿高温的临水或临海(高盐)码头,在腐蚀和交变载 荷的长期作用下,极易产生横向(周向)应力腐蚀裂 纹。裂纹一旦在使用中产生,极易导致螺栓断裂,造 成重大的损失甚至灾难性后果。2009年西班牙某 港邮轮发生强风导致码头缆桩螺栓断裂事故,造成 船艏飘离码头、客用舷梯及四人坠海。2010 年 12 月,台州某渔船缆桩断裂,导致一死一重伤的严重后 果。以上桩断裂事故,均是连接缆装与地面桩基的 螺栓发生断裂造成的,因此,对缆装螺栓进行检测十 分重要。笔者制定了在役缆桩螺栓的相控阵超声全 聚焦(TFM)检测工艺,设计了检测工装及设备保护 工装,利用全数据储存与分析方法,对在役缆桩螺栓 进行检测与监控,为船舶系泊安全保驾护航。

1 检测方案

前述提到事故中,断裂螺栓的部位为距离螺栓 端面130mm 的区域,经分析,失效原因为螺栓存在 疲劳腐蚀裂纹。腐蚀先从应力集中的螺栓表面开始,逐步向内部延伸,直至螺栓断裂。在役缆桩螺栓 深埋在桩基内部(见图1),大批量地拆除后实施检 测不仅会破坏桩基,而且增加检测成本和延长整个 螺栓的维修周期。因此,在不拆除缆桩桩基的情况 下,选择一种合适的检测技术对螺栓关键区域进行 检测十分重要。

缆桩螺栓预埋前一般使用常规超声检测法检测 其内部缺陷,采用磁粉检测法检测其表面缺陷。很显然,这两种技术无法符合当前检测要求。在不拆 除缆桩桩基的前提下,磁粉检测是无法检测螺栓表 面的;常规超声检测很难识别螺纹回波信号与缺陷 回波信号,容易造成误判或漏检。常规相控阵超声 检测虽然可以对螺栓螺纹表面进行检测,但该方法 在成像、聚焦、检测能力、分辨力等方面不如相控阵 全聚焦技术(见图2)。由此可见,采用相控阵全聚 焦检测技术对螺栓进行检测可以弥补以上技术的不 足,所以笔者将该方法作为首选方法。

相控阵超声全聚焦技术[1]包括全矩阵数据采集 (FMC)和全聚焦方法(TFM),首先利用相控阵探头 依次激发每个晶片,同时所有晶片接收回波信号,这 个过程为全矩阵数据采集过程;其次对每个接收到 的信号进行计算叠加,形成高精度的图像,这个过程 为全聚焦。相对于普通超声检测技术和常规相控阵 技术,该技术具有如下优势。

(1)TFM 技术具有很高的灵敏 度、图 像 分 辨 力[2-3]和信噪比,其拥有独立的数据分析和处理能 力,极大提高了图像分辨力和信噪比,从而更容易检 测出缺陷的微小变化,有利于缺陷扩展的监测。采 用 TFM 技术可清晰区分螺牙回波与刻槽回波。

(2)TFM 技术提高了对不同取向缺陷的检测 能力。使用 TFM 技术依次激发晶片,各晶片同时 处于接收状态,其效果相当于声束以不同角度到达 缺陷的反射面,超声波束与缺陷面积方向近似垂直 时,反射能量最高。

(3)TFM 技术具有图形识别上的优势。普通 相控阵超声检测形成的图像是扇扫图像,图谱变形 较大,且没有螺栓的模拟图,而 TFM 图像能直接显 示螺栓的横截面图,更容易辨别缺陷的位置。

2 参考试块制作

目前国内外尚无 TFM 检测的相关标准和参考 试块,为满足实际检测需求并结合现有标准的特点, 制定了以下相关的验收参考及校准试块标准。

2.1 螺栓刻槽校准试块的制作

参照标准 GB/T23905-2009 《无损检测 超声 检测用试块》中对试块表面刻槽的加工要求,结合 现场实 际 情 况,选 用 与 被 检 缆 桩 螺 栓 材 料 相 同 (Q235)、尺寸相似(螺栓直径×螺纹间距为40mm× 4mm)的丝杆制作螺牙根部刻槽试块。在加工刻槽 前,先对试块进行全聚焦相控阵超声检测,将仪器灵 敏度调至最高,确保螺牙根部刻槽试块无可见缺陷 回波显示。检测合格后,在丝杆深为10,30,50,70, 130,200mm 处的螺纹根部,用直径为0.2mm 的钼 丝线切割深为2mm 的刻槽,螺牙根部刻槽试块结 构如图3所示。

加工后螺 栓 刻 槽 试 块 的 TFM 图 谱 如 图 4 所 示,可见,螺牙与刻槽的显示可以清晰分辨。检测 结果说明,该技术可有效发现2mm 刻槽当量的表 面缺陷。

2.2 验收标准的制定

螺栓断裂部位为缆桩与地面桩基的过渡区,对 其进行返修。首先切割缺陷部位,刨掉缺陷后,开 45°坡口,使用手工电弧焊进行焊接。返修的焊接区域及热影响区域大致分部在距离螺栓100~160mm 的位置,这部分区域是螺栓检测的关键部位。验收等 级参照焊缝检测标准 GB/T11345-2013《焊缝无损 检测 超 声 检 测 技 术、检 测 等 级 和 评 定》建 立,将 2mm 刻槽定义为参考等级 H0 (为 参 考 体 波 幅 代 号)。根据螺栓的使用状态进行分区验收,区域分为 一般区域和关键区域。对于一般区域,反射回波高于 H0 的缺陷,应判定为不合格,高于H0-4dB,应予以 记录;关 键 部 位 (螺 栓 与 桩 基 的 连 接 处 上 下 各 30mm 的区域)高于 H0 的显示不允许返修,应直 接换新;对于返修部位,应按原检测工艺进行复检; 对于应记录的部位,由检测员进行记录,反馈至缆桩 设备管理部存档,由管理部组织定期进行复检。验 收标准如表1所示。

2.3 工装的研发

笔者利用3D打印技术制作出专用的探头保护 工装(专利号:ZL202122090370.7)及螺栓扫查工 装(见图5)。

探头保护工装的使用,克服了检测时探头在无 保护下易磨损的缺点,极大地延长了探头使用寿命。 螺栓扫查工装则解决了手动扫查时人为因素影响 大、缺陷测量不准确、采集数据不全面、扫查效率低 等问题,实现了高效快捷扫查、全方位采集数据,为螺栓缺陷的长期监测提供了必要条件。

3 现场应用

3.1 仪器的校准

仪器型号为 M2M GEKKO325,探头型 号 为 OLYMPUSA11-5L32(32晶片,孔径宽度为10mm, 中心距为0.6mm,间距为0.1mm,线阵阵列探头), 晶片型号为 XAAB-0207T020932。仪器校准步骤 如下。

(1)器材配置设置。包括工件尺寸、探头配置、 扫查器。构建螺栓三维结构,输入螺栓材料、声速、 密度信息;探头配置选择实际使用的探头信息,脉 冲信号使用脉冲回波收发模式,打开自动滤波,中 心频率选择5 MHz,采样频率选择100 MHz,激励 电压为40 V,脉 冲 宽 度 为 100ns;楔 块 为 平 行 楔 块,参考点为楔块中心,楔块高度为0.5 mm,长为 40mm,宽为 40 mm;扫 查 器 为 单 轴 扫 查 器,编 码 器轴为 C1,连接端口为1,编 码 器 精 度 为 40 采 样 点/mm,方向为反向。

(2)超 声 设 置 包 括 TFM 设 置、定 量 校 准。 TFM 设 置 波 型 模 式 为 纵 波 LL;成 像 参 考 点 为 顶 端,区域宽为 50mm,深为 5mm,高为200mm;探 头水平偏移0mm,夹角为90°;视图布局选择 TFM 与 TFM 成像。将探头放置到螺牙根部刻槽试块上 进行 TCG(时 间 增 益)校 准,由 于 螺 栓 长 度 达 230 mm,扫查范围大,分两个区域进行 TCG 校准。第 一区域刻槽深为10,30,50,70 mm,第二区域刻槽 深为130,200mm。TCG 校准后两个区域的刻槽图 像如前图4所示。校准结束要验证检验区域内的灵 敏度是否一致,验证合格后进行保存,即完成 TFM 设置。

(3)检测设置包括参考点和扫查轨迹。参考点 为顶端中心点。

3.2 现场检测

现场检测要求螺栓端面光滑,无铁锈,无凹坑及 影响探头移动的杂物,无影响检测的障碍物。仪器 校验以及现场检测统一使用机油作为耦合剂。检测 时,在 TCG 校准基础上再增加6dB作为扫查灵敏 度(H0+6dB)。扫查界面至少应显示 TFM、TFM 成像界面。

4 检测结果及分析

选取2020至2021年度螺栓的监控数据进行分 析。检测螺栓共计 1500 根,排查出 90 根可疑螺 栓,其中不合格8根,换新3根,返修合格5根,需监 控87根。从2021年年中监控至今,经历了一个台 风季,并未出现缆桩螺栓的断裂情况。后续情况还应持续跟踪监控,监控周期为两年。2020至2021年 度在役缆桩螺栓的 TFM 检测统计结果如图 6 所 示,不合格及部分返修记录如表2所示(表中 C.为 裂纹,I.为未熔合,N.R.D.为无显示记录,Acc. 为合格,Rej.为不合格),其中部分缺陷及返修记录 图谱如图7所示。

对检测数据进行分析,发现裂纹或微小显示产生 的深度基本处于距离螺栓端面100mm~160mm 的 关键区域内,该区域在缆桩基座与桩基的接触面附 近,不仅是承受剪切应力最强的区域,而且易受地下 潮气、海水腐蚀。现场检测出的断裂螺栓及其 TFM 图谱如图8所示。

5 结语

(1)对缆桩螺栓进行在役检测,极大地缩短了 检测工期,节约了检修成本。

(2)利用2 mm 深的刻槽作为参考基准,制作 图8 现场检测出的断裂螺栓及其 TFM 图谱 螺栓刻 槽 参 考 试 块,检 测 结 果 表 明,实 际 裂 纹 的 TFM 图像与试块刻槽图像基本一致。

(3)设计的探头保护装置和螺栓专用扫查装 置,不仅可以提高探头的耦合程度,减少磨损,还可 以提高扫查效率。

(4)利用全数据监测对所有可疑螺栓进行监 控,有效地减少了返修成本。

(5)利用 TFM 技术对在役缆桩螺栓进行检测, 有力监控了笔者公司码头缆桩螺栓的质量,保证了 公司所建造和维修船舶的系泊安全,该技术值得推 广应用。

参考文献:

[1] 李衍.超声相控阵全聚焦法成像 检 测[J].无 损 检 测, 2017,39(5):57-64.

[2] 杨贵德,詹红庆,陈伟,等.相控阵三维全聚焦成像检测 技术[J].无损检测,2018,40(5):64-67.

[3] 戈浩.相控阵超声检测横向分辨力的影响因素[J].无 损检测,2018,40(7):27-30.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 无损检测 > 44卷 > 9期 (pp:58-62)>