水下無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

裘達(dá)夫

(91872部隊(duì)，上海 200083)

0 前言

水下無損檢測技術(shù)是無損檢測技術(shù)的一個重要分支，是無損檢測技術(shù)在海洋工程、船舶工程等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代近海工程的發(fā)展，海洋平臺、海底管線等海上結(jié)構(gòu)物的大量建造的需要，水下無損檢測技術(shù)已突顯出它不可替代的重要性，而隨著水下無損技術(shù)水平的提高，該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性也越發(fā)顯著。

目前，水下無損檢測在海洋工程領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，并取得較好的成果。在船舶領(lǐng)域，由于船體水下部分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及維修體制的限制，水下無損檢測技術(shù)一直沒有得到很好的實(shí)踐，仍主要采用潛水員目視觀察的方法。隨著視情維修、涂料技術(shù)、電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以及水下潛器技術(shù)的發(fā)展，水下無損檢測技術(shù)在船舶領(lǐng)域必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹水下無損檢測的技術(shù)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，并針對船舶維修展望其以后的發(fā)展方向。

1 水下構(gòu)件的損傷形式及水下檢測方式

船舶、海洋平臺等海洋結(jié)構(gòu)存在著不同種類的損傷缺陷，其損傷形式可分為:腐蝕、裂紋、變形(破損)、海生物附著等。

1)腐蝕損傷。

腐蝕是海洋環(huán)境下各構(gòu)件的一種主要的損傷形式，由于生化反應(yīng)，腐蝕損傷將導(dǎo)致構(gòu)件有效厚度的減少，進(jìn)而導(dǎo)致水下結(jié)構(gòu)如船體的屈服強(qiáng)度的變化，以致引起穿透、破損、斷裂等嚴(yán)重事故。

腐蝕損傷的檢測可以采用水下目視檢測，包括水下攝像、水下照相、涂層測厚及鋼板測厚等手段。另外水下電位測量可以檢測陰極保護(hù)措施的保護(hù)水平。

2)裂紋損傷。

裂紋可分為疲勞裂紋、腐蝕裂紋、水下焊接裂紋等，其中以疲勞裂紋最具隱蔽性和危害性。特別是構(gòu)件的連接處，應(yīng)力高度集中，最容易產(chǎn)生疲勞裂紋。在海洋環(huán)境下，疲勞裂紋會很快成為新的應(yīng)力腐蝕源，加速其擴(kuò)展的速度。

對于裂紋損傷，可以采用水下磁粉探傷、水下超聲波探傷進(jìn)行檢測，嚴(yán)重的通過拍照、攝像也可以進(jìn)行識別。

3)變形損傷 (破損)。

船舶與平臺的碰撞、重物墜落對構(gòu)件的沖撞以及受到意外事故等都會造成結(jié)構(gòu)彎曲、凹坑等變形或破損。

變形損傷可以采用水下照相、攝像進(jìn)行觀察。

4)海生物附著。

水下設(shè)施為海洋生物群體的生長提供了一個理想的場所。海生物附著在構(gòu)件的表面，改變了構(gòu)件表面的粗糙度和阻尼系數(shù)，對于船舶來說，不僅會影響船舶的航行速度，而且造成鋼板涂層的破壞，加劇船體的腐蝕。同時(shí)海生物的附著也會使水下檢測更加困難。

對于海生物的附著情況，可以采用水下目視檢測的方法。

2 水下無損檢測方法介紹

2.1 水下目視檢測(UWVT)

UWVT是最常用的檢測方法。由于操作方法簡單以及應(yīng)用面廣泛，已成為目前實(shí)施“水檢替代塢檢”對海洋鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)、水庫及碼頭設(shè)施進(jìn)行質(zhì)量檢查的基本方法。常用的方法有目力檢查亦稱外觀檢查、照相、攝像、測厚以及電位測量等。其中，目力檢查是主要方法，也是早期檢查性潛水或調(diào)查潛水的基本手段，完全依賴于潛水員的肉眼觀察。

UWVT的關(guān)鍵技術(shù)包括水下照相和攝像的清晰度，水下涂層測厚、超聲波測厚和電位測量的精度2方面。

1)水下照相和攝像的清晰度。

由于水對光線的散射、折射以及吸收，水下能見度低，尤其在東海的渾水條件下，水下的能見度幾乎為零。在這種情況下，普通的水下照相和攝像技術(shù)根本得不到可用的圖像和視頻。

為解決可見度的問題，在水下加燈光的基礎(chǔ)下，目前主要有以下3種解決手段和研究方向。①采用局部清水箱和清水袋，營造一個局部的清水環(huán)境，提高可見度;②采用信號處理技術(shù)，在傳統(tǒng)的攝像基礎(chǔ)上，采用信噪分離的信號處理技術(shù)，提高圖像和視頻的清晰度;③采用先進(jìn)的操作設(shè)備，如多波束聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)分辨率高，可以檢測水下目標(biāo)的細(xì)節(jié)部分，而且成像速度快，可以實(shí)時(shí)成像，更重要的是在可見度為零的環(huán)境下也可以進(jìn)行中短距離的成像，如Blueview公司DF900－2250雙頻微型多波束圖像聲納系統(tǒng)、IMAGENEX Model 837“Delta T”多波束圖像聲納等。

2)水下涂層測厚、超聲波測厚和電位測量的精度。

在水流的沖擊下，水下測量必然受到影響，尤其對于涂層這種高精度的測量，測量結(jié)果甚至是不可用的。為了解決這個問題，一方面從測量原理上提高測量精度，另一方面采用輔助裝置提高測量的穩(wěn)定性，如采用柔性手腕固定探頭、限制探頭的作用力等。

對于水下超聲波測厚，一般都需要去除涂層才能進(jìn)行測量，但涂層的局部破壞將會嚴(yán)重加重鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，這對于水下結(jié)構(gòu)是不允許的。為了解決該問題，美國DAKOTA、英國里泰等已經(jīng)研制成功不需要破壞涂層的超聲波探傷儀:UMX/MMX6水下超聲波測厚儀、Tritex3000水下超聲波測厚儀，它們應(yīng)用多次回波原理，在檢測時(shí)會透過途層直接顯示基體厚度。

2.2 水下磁粉探傷(UWMT)

UWMT是目前比較成熟的一種無損檢測方法，應(yīng)用十分廣泛。常用方法有永久磁鐵法、觸頭法和電磁軛法等。其磁懸液以水為載體，為了提高可見度，通常用熒光磁粉。

水下磁粉探傷主要應(yīng)用于表面裂紋和淺埋裂紋，由于該方法主要依據(jù)磁懸液顯示結(jié)構(gòu)缺陷，所以對水流速度有要求，在水流過快的海情下不適合使用，而且該方法是依據(jù)磁原理，所以在帶涂層檢測時(shí)精度也會受影響。

2.3 水下超聲波探傷(UWUT)

在對水下焊縫內(nèi)部缺陷的檢測、水下鋼結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)和評價(jià)等工作中，UWUT是主要的檢測手段。它的原理與陸地基本相同，通常需要水下和陸地同步顯示，其中水下部分進(jìn)行測量，陸地人員進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)所觀察到的反射信號情況進(jìn)行判定、標(biāo)記和記錄。

和超聲測厚一樣，超聲波探傷一般也要求去掉涂層，探傷的反射波高和涂層有直接的關(guān)系，超聲波測厚目前已解決了該問題，但水下超聲波探傷目前還沒有特別好的帶涂層探傷的成熟儀器。

2.4 其它水下無損檢測技術(shù)

除以上介紹的各種方法，目前已經(jīng)應(yīng)用或正在開發(fā)的水下無損檢測方法還有水下射線檢測、水下聲發(fā)射檢測、水下渦流檢測、水下超聲全息成像、磁強(qiáng)記錄儀等。

3 目前存在的問題

1)精度和穩(wěn)定性的問題。

目前，對于岸上無損檢測設(shè)備，國內(nèi)外都已經(jīng)達(dá)到較高的技術(shù)水平，但是對于水下儀器，國內(nèi)和國外存在較大的差距，尤其是儀器的穩(wěn)定性。在水下，檢測人員因受到諸多條件和因素的限制不能像在陸地一樣自由地活動，尤其是潛水裝置、檢測設(shè)備和配套設(shè)備等限制了人員的活動，同時(shí)還增加了水下安裝、定位等活動的復(fù)雜性，另外受水深、水溫、能見度、波浪、潮汐、涌浪、海生物與沉積物等的影響，測量工作的可靠性和穩(wěn)定性都受到很大影響，即使是進(jìn)口設(shè)備，也必須在合適的條件下才能取得較好的結(jié)果

2)自動化問題。

目前的檢測設(shè)備都需配備專業(yè)人員，檢測人員都必須是經(jīng)過專門培訓(xùn)的具備一定資質(zhì)的人員才能勝任。這給檢測任務(wù)的完成帶來了一定的困難，如果能提高檢測設(shè)備的自動化程度，使普通潛水員或水下潛器就能自動操作、記錄，即使不能實(shí)時(shí)得出結(jié)果，需要送到岸上專業(yè)部門和人員進(jìn)行分析處理，也能較大程度地降低檢測任務(wù)的實(shí)施難度，提高工作效率。

3)通用性問題。

目前的儀器，不同的原理、不同的介質(zhì)、不同的測量對象就需要選用不同的儀器或不同的探頭，最簡單的也要進(jìn)行重新設(shè)置參數(shù)，如對于涂層測厚，鐵基質(zhì)和鋁基質(zhì)的結(jié)構(gòu)就不能用同樣儀器，至少需要更換探頭，測量設(shè)備的功能太單一，使測量任務(wù)復(fù)雜化，不僅工作量大，工作效率也很低。如檢測船體水下部分的狀態(tài)，不僅要帶涂層測厚儀、鋼板測厚儀、水下照相機(jī)、攝像機(jī)，還要根據(jù)船體板材選擇合適的探頭，調(diào)整設(shè)備參數(shù)。如果是潛水員操作，儀器的切換就相當(dāng)復(fù)雜，一個人甚至都無法完成任務(wù)，需要幾個人共同協(xié)作。

4 發(fā)展趨勢

1)全局性無損檢測技術(shù)的發(fā)展。

對于水下無損檢測，現(xiàn)階段基本上都采用局部檢測，在實(shí)際應(yīng)用中，只能針對懷疑區(qū)域或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對關(guān)鍵部位進(jìn)行局部測量，因此檢測不夠全面徹底，不僅工作效率低下，而且檢測范圍有限，尤其對于船舶等大型設(shè)備，其龐大的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致需要檢測的范圍廣，即便是焊縫一項(xiàng)，就有千千萬萬個焊縫，在水下如果進(jìn)行逐一檢測，該工作量將是極其巨大甚至不可能完成的，因此檢測過程中難免會產(chǎn)生遺漏，進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

因此筆者認(rèn)為，水下無損檢測應(yīng)該向全局化發(fā)展，對于厚度測量和探傷，可采用智能材料，只要給材料一個輸入，根據(jù)材料自身的信號輸出，就可以得到材料的整體性能。如對于船體的檢測，根據(jù)船體鋼板的信號輸出，就可以判斷船體各個部位的損傷情況。

2)集成化儀器的研究。

對于水下無損檢測，其檢測內(nèi)容基本上就是圖像、視頻、涂層厚度、鋼板厚度、裂紋等，現(xiàn)有的檢測設(shè)備都是各司其職，從而給檢測任務(wù)的完成帶來諸多不便。因此可以集成各項(xiàng)功能于一體，甚至可以增加自動定位功能，設(shè)計(jì)自動探頭識別和切換裝置，將會大大提高檢測效率。

3)水下潛水器 (ROV)的應(yīng)用。

由于環(huán)境因素的影響，潛水員在水下的工作效率和工作時(shí)間都受到很大的限制，隨著水下潛器技術(shù)的不斷成熟，以ROV代替潛水員是未來的發(fā)展趨勢，但是ROV用來真正的檢測還需要攻克很多的技術(shù)難題，如檢測設(shè)備操作的穩(wěn)定性和可靠性、水下定位技術(shù)等。

［1］黃鈞.焊接結(jié)構(gòu)水下無損檢測技術(shù)及其進(jìn)展 ［J］.無損檢測，2005，27(4):207－211.

［2］朱曉恒.超聲探傷技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用 ［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(21):112－115.

［3］程志虎.第一專題 水下無損檢測技術(shù)綜述 (一)對象、目的和方法 ［J］.無損檢測，1997，19(9):266－269.

［4］程志虎.第一專題 水下無損檢測技術(shù)綜述 (二)水下環(huán)境因素對檢測作業(yè)的影響 ［J］.無損檢測，1997，19(10):290－293.