艉軸管的超聲相控陣檢測(cè)

艉軸管的超聲相控陣檢測(cè)鄧丹;高翌飛;張澤義;胡躍剛;曹海靜【摘要】Asakindoflargetubularcastingandforging,thesterntubeshaftwasusuallydetectedbyconventionalultrasonictestingmethod,resultingtolowmanualinspectionefficiencyandpoorengineeringimplementationduetoitslargeinspectionareaoftheinnerwall.ConsideringtheCscanimagingfunction,thecharacteristicsofdynamicdepthfocusingfunctionandscanningspeedofultrasonicphasedarraytestingtechnology,theultrasonicphasedarraytechniqueisappliedtodetectsuchsterntubeshafts.Comparisonwiththeresultsofconventionalultrasonictestinghasproventhatthedesignedschemeofultrasonicphasedarrayforsterntubeshaftisfeasible,reliableandhasincomparableadvantages.%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.考慮到超聲相控陣檢測(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).【期刊名稱】《無(wú)損檢測(cè)》【年(卷)，期】2017(039)008【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P37-40)【關(guān)鍵詞】艉軸管;鑄鍛件;超聲相控陣;常規(guī)超聲【作者】鄧丹;高翌飛;張澤義;胡躍剛;曹海靜【作者單位】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;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;科蘭世檢測(cè)技術(shù)（北京）有限公司，北京100006;科蘭世檢測(cè)技術(shù)（北京）有限公司，北京100006;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【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TG115.28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)。1.1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OmniscanMX2，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OmniscanMX2、5L64-A2線掃探頭和0°掃查楔塊實(shí)物圖片如圖2所示。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10~30mm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中3mm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5,10,15,20,25,30mm的中3mm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30mm,滿足了艉軸管的檢測(cè)要求。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。2.1超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)被檢艉軸管長(zhǎng)為2m，直徑為990mm，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：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5MHz。耦合劑選用水，耦合效果良好，聲能在界面的損失小。相控陣探頭聚焦深度設(shè)置為30mm。⑷以5L64-A2探頭在對(duì)比試塊上的中3mm平底孔上制作的TCG(深度補(bǔ)償)曲線為基準(zhǔn)靈敏度，提高12dB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50mm-s-1,軸線步進(jìn)速度為20mm-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。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。掃(下部)顯示。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2mm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35mm大于超聲相控陣檢測(cè)得到的長(zhǎng)度測(cè)量值9mm,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—個(gè)缺陷，因此常規(guī)超聲最后檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度偏大?？傮w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。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。配備專門的掃查器，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)。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。【相關(guān)文獻(xiàn)】張軼清.船舶艉軸管滑油漏泄污染事故的分析處理[J].科技創(chuàng)新，2008(5):46-47.李衍.取樣相控陣超聲實(shí)時(shí)三維成像的工業(yè)應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)，2011,33(5):10-13.焦敬品，聶紹珉.相