船舶無損檢測開啟新紀(jì)元

本刊記者 殷 毅

船舶無損檢測開啟新紀(jì)元

本刊記者 殷 毅

有關(guān)資料顯示，近年來我國發(fā)生的多起新建船舶斷裂事故，主要原因之一就是焊接缺陷。2007年的6月～10月，鄱陽湖區(qū)和贛江發(fā)生了7起船舶斷裂沉沒事故，其中船齡最短的“健鴻”號船投入運營才10來天。經(jīng)對事故船舶勘驗、查證、分析和計算證實，除鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)差、造船工藝不合理等原因外，焊角尺寸過小、夾渣、咬邊、吹偏、未融合、未焊透等嚴(yán)重焊接缺陷，是這些短命船舶的最致命殺手。

然而，隨著船舶大型化、復(fù)雜化和高端化，傳統(tǒng)無損檢測手段在某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位遭遇了高難度挑戰(zhàn)，特別是對高應(yīng)力區(qū)域全熔透角焊縫的檢測更顯力不從心，創(chuàng)新船舶無損檢測技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。

傳統(tǒng)手段遭遇瓶頸

一艘大船，由成千上萬個鋼質(zhì)零構(gòu)件焊接而成，一旦出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，當(dāng)它所受的外力和內(nèi)應(yīng)力作用達到一定極限值時，輕則出現(xiàn)裂紋漏水，重則攔腰截斷沉沒。因此，通過檢測手段，全面掌握船舶各部位的焊接質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)問題，是確保船舶航行安全的重要保障。

從事船舶設(shè)計建造的人都知道，高應(yīng)力區(qū)域全熔透角焊縫是超大型船舶的“命門”，它一般處在船體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，由于焊接量大，易出現(xiàn)裂紋、氣孔和夾渣等焊接缺陷。18萬噸散貨船的貨艙槽型艙壁與內(nèi)底板的連接部位的角焊縫就是全熔透角焊縫。之前為改善其突出的疲勞問題，建造時需采用TIG熔修技術(shù)優(yōu)化表面形狀，減少殘余應(yīng)力。此外，角焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便射線檢測，常規(guī)的超聲波技術(shù)由于單角度探頭的檢測盲區(qū)導(dǎo)致缺陷檢出率低；大合攏焊縫檢測時檢測距離長，工作量極大。這些高應(yīng)力區(qū)域的焊縫在應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋等缺陷，對船舶結(jié)構(gòu)安全影響非常大。

船舶大合攏焊縫的十字交叉點檢測，傳統(tǒng)手段一直是采用射線檢測法，檢測時需中斷施工、隔離防護，否則造成環(huán)境污染和人身傷害。多年前日本有一部電視劇《血疑》，女主人公幸子的命運牽動了成千上萬觀眾的心。幸子即是因為受射線所害患病。在我國某船廠，曾發(fā)生一起用射線檢測時遭到在現(xiàn)場工作的外方人員抗議的事情。據(jù)相關(guān)人員介紹：一名現(xiàn)場檢測工作人員一年中接受射線輻射的劑量有嚴(yán)格規(guī)定，嚴(yán)格禁止超過規(guī)定值?？梢娚渚€檢測危害之大。

隨著船舶大型化和建造技術(shù)的發(fā)展，以及公眾對安全和環(huán)保要求的日益提高，傳統(tǒng)的無損檢測方法和檢測技術(shù)如A超、射線、磁粉和滲透等已遠遠無法滿足實際需求，檢測技術(shù)的變革迫在眉睫。

作為國家船級社，CCS在船舶檢驗領(lǐng)域有著突出的科研和技術(shù)優(yōu)勢，是中國船舶工業(yè)支持保障系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是水上安全鏈中的重要環(huán)節(jié)。發(fā)揮自身優(yōu)勢，將世界先進技術(shù)應(yīng)用于船舶檢驗領(lǐng)域，CCS能夠有所作為。特別是，隨著18萬噸大型散貨船、8530標(biāo)箱大型集裝箱船、30萬噸超大型油輪相繼加入CCS船隊，創(chuàng)新無損檢測手段，確保這些船舶中的“貴族”船體結(jié)構(gòu)安全，要求CCS必須有所作為。

2008年下半年，CCS無損檢測試驗室成立。一批行業(yè)專業(yè)人才紛紛加盟，新老研究人員齊心協(xié)力，開始了無損檢測新技術(shù)在18萬噸散貨船建造檢驗中的應(yīng)用研究，即超聲相控陣和TOFD技術(shù)在船舶結(jié)構(gòu)焊接檢測中的開發(fā)應(yīng)用。

技術(shù)變革助力突圍

超聲相控陣和TOFD技術(shù)一直是近年來各種學(xué)術(shù)和技術(shù)交流會的熱點話題。它們?nèi)缭跓o損檢測行業(yè)里冉冉升起的兩顆新星，正在給無損檢測行業(yè)帶來一場前所未有的技術(shù)變革。經(jīng)過論證，CCS決定把世界最先進的超聲相控陣和TOFD技術(shù)引入船舶檢測領(lǐng)域。

超聲相控陣和TOFD技術(shù)是解決船舶檢測瓶頸問題的最有效途徑。這兩項技術(shù)相對于傳統(tǒng)檢測技術(shù)有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：超聲相控陣工藝設(shè)計靈活，聲束覆蓋能力強，無需前后移動探頭即可實現(xiàn)焊縫區(qū)域的完全覆蓋，檢測速度快；可以根據(jù)檢測對象的特點選擇合適的檢測工藝，具有更高的缺陷檢出率；缺陷測量、定位準(zhǔn)確；檢測結(jié)果直觀，有多種顯示方式；檢查結(jié)果能實時顯示，在掃查的同時可對焊縫進行分析、評判，將檢測數(shù)據(jù)永久保存，等等。所以，基于相控陣技術(shù)對復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)進行檢測，可以通過多種顯示方式令焊縫內(nèi)部情況一目了然。而對于裂紋的檢測，可以通過使用相控陣技術(shù)觀察裂紋尖端衍射信號和根部反射信號綜合判斷，結(jié)果精確可靠。

TOFD技術(shù)的優(yōu)勢是缺陷檢出率高、現(xiàn)場實施便捷、檢測效率高，任何方向的缺陷均難逃脫、缺陷定深和測高精確、能夠定期監(jiān)測裂紋延展的情況、能永久記憶超聲成像視圖，等等。所以，基于TOFD技術(shù)對板對接焊縫進行檢測，具有很高的檢測精度和效率。尤其對目前的船舶檢測中危害較大的裂紋、側(cè)壁未熔合、層間未熔合等缺陷的檢測，TOFD技術(shù)更是優(yōu)勢突出，社會和經(jīng)濟價值極其顯著。

難得的一點是這兩項技術(shù)像一只“黑匣子”能夠?qū)z測數(shù)據(jù)永久保存，從而可以對檢測對象進行長期監(jiān)測，為船舶整個生命周期的質(zhì)量狀態(tài)分析提供基礎(chǔ)，也為相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)研究積累了試驗室與現(xiàn)場檢測資料。

據(jù)研究人員介紹，最具代表性的“角焊縫”檢測問題是此次研發(fā)的關(guān)鍵點和難點，也是核心技術(shù)之一。資料有限，又不能按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，那么大膽提出的使用相控陣“扇掃”的方案能否行得通，起初研發(fā)人員并沒有足夠的自信心。可是，等仿真模擬、試樣驗證、現(xiàn)場檢測對比三個階段依次認(rèn)真做完，尤其是做完現(xiàn)場對比后效果非常明顯。這件事令研究人員意識到：打開思路、意識超前、不拘泥固有想法大膽設(shè)想這些特質(zhì)在研發(fā)領(lǐng)域何其重要！

“大合攏焊縫”同樣是具代表性的此次研發(fā)的關(guān)鍵點和難點。之前的檢測僅能采用常規(guī)超聲“抽檢”，即選取其中的某一段檢測。因為大合攏焊縫距離長，工作量大?？墒沁@種利用“概率”抽檢的方式雖然快速，但漏檢缺陷的可能性非常大，不可避免留下了許多安全隱患。項目研發(fā)人員采用TOFD技術(shù)，配合使用具有自動跟蹤功能的自動爬行器，既能快速掃完大合攏焊縫，完成質(zhì)量檢測，又不需要使用腳手架，無電離防護要求，對現(xiàn)場不產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)難題迎刃而解

目前，CCS已將超聲相控陣和TOFD技術(shù)研發(fā)成果成功用在了在役船舶、在役海洋平臺、在役大型橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的檢測中，成功解決了常規(guī)無損檢測方法無法解決的技術(shù)難題，為業(yè)主創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

“河北創(chuàng)新”是世界上第一艘由VLCC油輪改裝成的大型散貨船。運營5年后，為查驗改裝效果，需對該船的船舶結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生的疲勞裂紋進行檢測。由于裂紋缺陷自身形狀的特點，反射信號較弱，因此在對裂紋缺陷檢測時除了關(guān)注裂紋根部反射信號，還需關(guān)注裂紋尖端的衍射信號。采用高靈敏度的超聲相控陣扇形掃描方式使裂紋尖端衍射信號容易檢出和辨別。在檢測數(shù)據(jù)判讀過程中，關(guān)注典型的裂紋信號波形，取得了良好的數(shù)據(jù)判讀效果。同時，首個五年檢測后，可將高應(yīng)力區(qū)留下的檢測記錄作為下一個五年特檢裂紋擴展情況的跟蹤奠定基礎(chǔ)。每年年檢時，驗船師據(jù)檢測報告即可有針對性地加強對相關(guān)結(jié)構(gòu)的檢查。

CCS在為中海油一座海洋平臺“海油935”的一次檢測中，使用超聲相控陣技術(shù)也取得了顯著的效果?！昂Ｓ?35”平臺樁靴出現(xiàn)了裂紋，但無法確定裂紋深度，整個平臺的安全無法保障，不能出海工作。同時，塢期很緊，平臺不能進塢維修。由于技術(shù)限制和角接結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場條件限制，射線、磁粉技術(shù)都無濟于事；常規(guī)超聲檢測由于信號復(fù)雜，難于判斷。CCS采用超聲相控陣技術(shù)前后檢測兩次，對相同部位裂紋進行跟蹤，有效監(jiān)控了裂紋擴展情況，使該平臺繼續(xù)服役四個月。按平臺日租金70余萬元算，為業(yè)主節(jié)約資金數(shù)以千萬計。

在橋梁橋面板裂紋檢測中，TOFD技術(shù)則更是發(fā)揮了傳統(tǒng)檢測法無可比擬的優(yōu)勢。對于某座長約1000米的主橋面板下焊縫疲勞裂紋，業(yè)主提出要在短時間內(nèi)準(zhǔn)確檢出缺陷，給出疲勞裂紋的深度，又要保證其他車道的暢通。業(yè)主邀請了國內(nèi)多家知名檢測機構(gòu)使用傳統(tǒng)檢測方法試驗后，效果不理想。CCS用TOFD檢測技術(shù)，在其他車道暢通無阻的情況下，平均每天每臺儀器完成檢測400到600米。將缺陷數(shù)據(jù)存儲，在橋面板上明確標(biāo)出缺陷位置、長度和深度，焊接維修人員緊隨其后，修補工作與檢測工作同時完成。整個橋梁的每一個車道檢測歷時不超7天，完成檢測距離近2萬米。以60元/輛計，為業(yè)主挽回?fù)p失數(shù)千萬元。

實踐證明，超聲相控陣和TOFD技術(shù)就像船舶焊接缺陷的“克星”，在保證船舶結(jié)構(gòu)安全上發(fā)揮著巨大的作用。將超聲相控陣和TOFD技術(shù)用于船舶領(lǐng)域，中國船級社可謂是“第一個吃螃蟹的人”。2010年5月6日，來自國內(nèi)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、海軍等行業(yè)的專家濟濟一堂，興致勃勃聽取了CCS的項目研發(fā)報告，并觀看了CCS自主研發(fā)的3種規(guī)格相控陣探頭、系列楔塊及應(yīng)用于現(xiàn)場的5款掃查裝置等產(chǎn)品。其中，專家們對采用模塊化設(shè)計、具有視頻監(jiān)視功能的多用途掃查器MAIC-1贊許有加，認(rèn)為該掃查器在遠程搖控操作等方面具有創(chuàng)新性，填補了船舶行業(yè)的應(yīng)用空白；相控陣探頭和楔塊制作工藝水平達到了國外同類產(chǎn)品的水平。

專家們組成的鑒定委員會一致認(rèn)為：該項目首次將超聲相控陣和衍射時差技術(shù)應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，成果達到國際先進水平?？梢钥隙?，這項技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用成功將引起船舶檢驗、檢測技術(shù)發(fā)生一場觀念性的變化，整體提高國內(nèi)制造業(yè)技術(shù)水平，加速我國由世界造船大國到造船強國的轉(zhuǎn)變。

Ships contain thousands of welded steel elements.Once there is little welding quality problem, as stress reaches the certain limit, it will result in from leaking cracks to destroy the vessel. Fortunately,with the assistance of various detecting methods, we can master the welding quality of all parts of welding elements of ship’s structure for purpose of fi nding problems earlier and helping ensure the safety of navigations.

People engaged in ship-design are all aware that the full penetration fi llet weld joints in the high stress locations are the vitals of the super sized ships. These weld joints are in general in the way of key parts of the ship’s structure.Due to a great deal of welding works, defects like cracks,air holes and residues are easily to exist. Taking 180000 gross tonnage bulk carriers for example, the fillet weld joints connecting the grooved-type bulkhead and the inner bottom plating are all adopting the full penetration weld technology. In the past, in order to solve the fatigue problem, the TIG dressing technology to optimize the surface shape and reduce residual stress is applied during the construction. Besides, there are some other problems like the complexity of fillet weld structure, noeasy x-ray examination, low rate of defect-f i nding caused by the blind spot of single angle detector of conventional ultrasonic technology, and the long inspection intervals of the welding seams of the major folds of ship’s section as well as the great amount of works. These welding seams in high-stress areas could easily lead to fatigue cracks,thus seriously affecting the structural safety of ships.

The traditional way adopted for examination of the weld crossings of ship’s major folds is always by radiographic method, which requires break off of work and insulation prevention. Otherwise, it is likely to cause environmental pollution and human injury.

Keeping pace with the emerge of large–scale ships and development of ship building technology as well as the increasing higher public demands for safety and pollution protection, the traditional non-destructive detection methods such as ultrasonic, radiography, magnetic particle and dye penetration all fall far behind the practical demand. The revolution of welds examination technology is in urgent need.

Being a national classification society, CCS has possessed outstanding scientific research and technological advantages in the fi eld of ships inspection,and is the important composing part of the supports security system for China shipbuilding industry as well as is a key tache of maritime safety chains. CCS could play a great role in the application of advanced world knowhow in the area of ship survey. Especially, following the classification with CCS of the 180000 GT bulk carriers,8530 TEU container ships and 300000 GT ULCC, the renovation of NDT methods in order to ensure the safety of ships structure of these “noble ships” is in desperate need, and this requires that CCS must do something.

In 2008, CCS established a NDT Lab. A passel of professionals from the industry joined in. All veteran workers and green-hands worked together and made concerted efforts in the application study of the new NDT method such as TOFD technique and etc. in the project of construction and survey of 180000 GT bulk carriers.

Ship’s NDT Opens a New Era

Reporter Yin Yi