船閘工程金屬結(jié)構(gòu)探傷裝備配置研究

李 輝，吉同元，李鵬飛

（1.江蘇省交通運(yùn)輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210000；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

引 言

閘閥門等金屬結(jié)構(gòu)作為船閘工程的重要組成部分，在日常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易產(chǎn)生疲勞損傷、銹蝕等質(zhì)量問題。對(duì)此，船閘養(yǎng)護(hù)部門會(huì)定期開展巡視檢查和專項(xiàng)檢測(cè)工作。目前船閘工程金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)一般采用超聲波探傷儀，受其技術(shù)原理制約，該方法在具體應(yīng)用過程存在一定的盲區(qū)。

本文首先對(duì)金屬結(jié)構(gòu)探傷現(xiàn)狀進(jìn)行分析，然后對(duì)市場(chǎng)上較為成熟的其他金屬結(jié)構(gòu)探傷裝備進(jìn)行梳理，并從經(jīng)濟(jì)型、操作性、檢測(cè)效果等方面進(jìn)行分析，為船閘工程的金屬結(jié)構(gòu)探傷裝備配置提供建議。

1 金屬結(jié)構(gòu)探傷現(xiàn)狀分析

目前船閘養(yǎng)護(hù)部門金屬結(jié)構(gòu)探傷主要采用超聲波探傷儀。超聲波探傷儀是一種便攜式的無損探傷儀器，它是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法。

圖1 超聲波探傷現(xiàn)場(chǎng)

超聲波探傷儀主要適用于閘閥門門體內(nèi)部缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）檢測(cè)和門體桁架焊縫質(zhì)量檢測(cè)。船閘工程中的浮式系船柱、系船鉤、閘門頂?shù)讟小㈤]機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役后也容易出現(xiàn)疲勞裂紋、腐蝕變形等質(zhì)量問題。超聲波探傷儀受技術(shù)原理限制，存在以下問題：

1）從掃測(cè)盲區(qū)上看，由于超聲換能器的余震等原因，導(dǎo)致表面存在掃測(cè)盲區(qū)，如構(gòu)件表面的裂紋等缺陷超聲波探傷儀則無法發(fā)現(xiàn)；

2）從構(gòu)件形狀上看，超聲波探傷法要求被測(cè)物體表面平整，而實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作中，存在大量的不規(guī)則構(gòu)件，如系船柱等，對(duì)于不規(guī)則構(gòu)件由于超聲換能器無法與構(gòu)件緊密耦合，導(dǎo)致無法檢測(cè)；

3）從構(gòu)件材質(zhì)上看，船閘工程有大量的鑄件如：發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體、軸承座等，超聲波探傷法檢測(cè)鑄件，由于其粗晶粒性和非均質(zhì)性，檢測(cè)誤差較大。綜上所述，金屬結(jié)構(gòu)的無損探傷有必要配置其他設(shè)備以彌補(bǔ)超聲波探傷儀的不足。

2 金屬結(jié)構(gòu)探傷裝備梳理

除了超聲波探傷儀外，金屬結(jié)構(gòu)的探傷裝備按照技術(shù)原理分主要有：磁粉探傷儀、滲透探傷劑、射線探傷儀、渦流探傷儀、相控陣超聲波探傷儀、聲發(fā)射探傷儀等。其中磁粉探傷儀、滲透探傷劑和射線探傷儀在工程中應(yīng)用最為廣泛。

2.1 磁粉探傷儀

磁粉探傷儀主要由輒鐵、線圈、磁頭、磁粉和電源所組成，其工作原理為：磁化所需檢測(cè)的鐵磁性材料對(duì)象，被檢測(cè)對(duì)象的周圍就會(huì)因此而布滿磁感線，而且其中材料沒有損傷的地方磁感線分布較為均勻化，相反，有損傷的地方的材料附近的磁感線分布較為錯(cuò)亂，進(jìn)而會(huì)形成一種漏磁場(chǎng)，那些被檢測(cè)材料表面上事先鋪撒的磁粉會(huì)被這種漏磁場(chǎng)所干擾，于是就會(huì)形成在人的肉眼下可見的磁痕，進(jìn)一步就可以檢測(cè)到物體表面或近表面處的損傷。

圖2 磁粉探傷儀

2.2 滲透探傷劑

滲透探傷總的來說可以不使用專門儀器，現(xiàn)在廣泛依靠的是顯像液、洗滌劑、清潔裝置熒光（或著色）滲透液及熒光（或著色）滲透液，而熒光著色需要搭配紫外光源一同使用。滲透檢測(cè)的原理為涂抹含有熒光染料或著色劑的滲透液于被檢的物體表面上，經(jīng)過一定時(shí)間的毛細(xì)血管作用，滲透液會(huì)滲透進(jìn)物體表面有損傷的細(xì)小裂縫中，接著將其表面附近沒有滲透的液體擦去，然后經(jīng)過充分干燥處理，再將顯像劑吸附介質(zhì)涂抹在被檢測(cè)物件表面處。同理，損傷裂縫里的滲透液會(huì)在毛細(xì)血管作用下被顯像劑所吸取，也就是滲透液往回滲透到顯像劑里去，只要光照條件充足，就能夠顯示出損傷處中的滲透液，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)損傷的目的。

2.3 射線探傷儀

射線探傷儀主要包括四個(gè)部分，即控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、冷卻設(shè)施、防護(hù)設(shè)施。其可分為兩大類：移動(dòng)式射線探傷儀和便攜式射線探傷儀。移動(dòng)式射線探傷儀常用在透照室內(nèi)，并且其管電流與管電壓都較高。便攜式射線探傷儀常用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，其管電壓通常不超過 320 kV，最大的穿透厚度約為50 mm，機(jī)頭由其射線管探傷機(jī)和高壓發(fā)生裝置構(gòu)成，通過低壓電纜連接控制箱。在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)使用的射線探傷儀中的射線通常是指X射線，檢測(cè)對(duì)象通過吸收X射線及其自身的衰減，因?yàn)楸粶y(cè)物體有一定的厚度，最后到達(dá)記錄介質(zhì)（如射線膠片）的射線強(qiáng)度也就不一樣，即光子在記錄介質(zhì)上的不同位置數(shù)量不等，再經(jīng)過暗室處理一下，不同黑度的缺陷影像就會(huì)在記錄介質(zhì)底片上出現(xiàn)，于是定性、定量損傷。

圖3 射線探傷機(jī)

3 金屬結(jié)構(gòu)探傷裝備適用性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

上述四種金屬結(jié)構(gòu)的探傷裝備技術(shù)都較為成熟，根據(jù)無損檢測(cè)技術(shù)圖書館的數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)涉及相關(guān)無損檢測(cè)設(shè)備器材制造的廠家達(dá)800多家，其中被無損檢測(cè)技術(shù)圖書館收錄的有390家。工程中應(yīng)用的便攜式無損檢測(cè)探傷裝備價(jià)格都較為便宜，其中國(guó)產(chǎn)超聲波探傷儀均價(jià)約1萬元，使用時(shí)基本無耗材；磁粉探傷儀均價(jià)約2 000元，使用時(shí)需購(gòu)買黑磁粉；滲透探傷除噴槍等輔助設(shè)備外不涉及專用檢測(cè)裝備，使用時(shí)直接購(gòu)買著色劑或者熒光劑；射線探傷儀均價(jià)約3萬元，使用時(shí)需購(gòu)買膠片及顯影液體。

3.2 操作性分析

1）超聲波探傷基本操作步驟：

a.根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象特征選擇合適的探頭（探頭類型、頻率、晶片尺寸等）和校準(zhǔn)試塊；

b.功能參數(shù)調(diào)節(jié)（閘門、波峰記憶、增益、零點(diǎn)等）；

c.探頭校準(zhǔn)及靈敏度調(diào)節(jié)；

d.清洗被檢測(cè)零件表面；

e.涂抹耦合劑進(jìn)行探傷；

f.根據(jù)聲波信號(hào)進(jìn)行缺陷識(shí)別。超聲波探傷儀器輕便，但探頭選擇、校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置等技術(shù)難度較大，且探測(cè)結(jié)果為聲波信號(hào)，直觀性差，缺陷識(shí)別需具備專業(yè)的聲學(xué)知識(shí)。

2）磁粉探傷基本操作步驟：

a.清除試件表面污垢并干燥處理；

b.選擇適當(dāng)?shù)拇呕绞胶痛呕娏髦祵?duì)試件進(jìn)行磁化；

c.利用干法或濕法施加干粉或磁懸液；

d.通過磁痕進(jìn)行缺陷判斷；

e.探傷完成后，對(duì)試件進(jìn)行退磁和防銹處理。磁粉探傷儀器輕便，參數(shù)設(shè)置較少，檢測(cè)結(jié)果較為直觀，操作難度較低。

3）滲透探傷基本操作：

a.清除試件表面污垢并干燥處理；

b.施加滲透劑；

c.滲透完成后，除去多余的滲透劑，并干燥處理；

d.施加顯像劑；

e.觀察識(shí)別缺陷；

f.根據(jù)需要施加清洗劑。滲透探傷不涉及專用儀器，無需進(jìn)行參數(shù)設(shè)置校準(zhǔn)等步驟，檢測(cè)結(jié)果直觀，操作難度低。

4）射線探傷基本操作：

a.在檢測(cè)區(qū)域設(shè)安全線；

b.射線探傷儀預(yù)熱及訓(xùn)機(jī)；

c.將探傷儀對(duì)準(zhǔn)被檢測(cè)構(gòu)件，調(diào)整焦距和曝光條件；

d.固定探傷儀，開始探傷曝光；

e.洗膠片（顯影、定影、沖洗和烘干）；

f.根據(jù)膠片進(jìn)行缺陷識(shí)別。射線探傷儀器較為笨重，操作步驟較復(fù)雜，但檢測(cè)結(jié)果較為直觀。

3.3 檢測(cè)效果分析

超聲波探傷儀適合厚度較大的構(gòu)件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，不適用于表面粗糙、形狀不規(guī)則的工件，且在構(gòu)件表面存在檢測(cè)盲區(qū)，無法檢測(cè)構(gòu)件表面裂紋。磁粉探傷儀適用于鐵磁材料，主要用于檢測(cè)表面和近表面（深度不超過3 mm）缺陷，構(gòu)件形狀對(duì)檢測(cè)影響結(jié)果較小。滲透探傷可以用于疏松多孔性材料外任何種類的材料表面開口類缺陷檢測(cè)。射線探傷可以用于較薄的鑄件、焊接件的表面及內(nèi)部缺陷檢測(cè)。

3.4 工作效率分析

超聲波探傷為即時(shí)性檢測(cè)，操作周期短效率高；磁粉探傷需噴涂磁粉，檢測(cè)效率略低于超聲波檢測(cè)；滲透探傷分別施加滲透劑、顯像劑和清洗劑，檢測(cè)工序多，效率低；射線探傷檢測(cè)前需要固定儀器檢測(cè)完還需要洗膠片，效率較低。

3.5 安全性分析

超聲波探傷儀采用超聲波的反射和透射原理，不存在安全風(fēng)險(xiǎn)；磁粉探傷采用電磁場(chǎng)缺陷處的漏磁原理，存在輕微的電磁輻射，不需要特殊防護(hù)；滲透探傷采用滲透液的毛細(xì)作用，使用的探傷劑為化學(xué)制品，對(duì)環(huán)境有一定污染；射線探傷采用穿透性強(qiáng)的X射線或者Y射線，對(duì)人體有較強(qiáng)輻射，因此作業(yè)時(shí)需采取防護(hù)措施。

3.6 綜合比較

根據(jù)上述分析，四類裝備的綜合比較如表1。

表1 金屬結(jié)構(gòu)探傷裝備綜合比較分析

4 結(jié) 語

目前船閘養(yǎng)護(hù)部門在金屬結(jié)構(gòu)探傷時(shí)主要采用超聲波探傷儀。超聲波探傷儀工作效率高，價(jià)格便宜，不存在安全風(fēng)險(xiǎn)，但它不適合表面粗糙，形狀不規(guī)則的構(gòu)件，且存在表面檢測(cè)盲區(qū)，無法檢測(cè)表面裂紋。從養(yǎng)護(hù)現(xiàn)狀來看，船閘結(jié)構(gòu)中存在較多的不規(guī)則構(gòu)件，且金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋也較為常見。因此有必要補(bǔ)充其他檢測(cè)方法，縮小檢測(cè)盲區(qū)。從上述分析可知，磁粉探傷儀適用于鐵磁材料表面和近表面缺陷檢測(cè)，構(gòu)件形狀影響小，需要一定的專業(yè)知識(shí)，建議由專業(yè)養(yǎng)護(hù)管理部門在大修或?qū)ｍ?xiàng)檢測(cè)時(shí)使用；滲透探傷劑能夠適用于大部分材料表面開口類缺陷檢測(cè)，不受構(gòu)件形狀限制，結(jié)果直觀，操作難度低，建議由基層閘管所配置在日常巡查中使用。