艉轴管的超声相控阵检测

邓 丹，高翌飞，张泽义，胡跃刚，曹海静

(1.中国船级社实业公司无损检测实验室, 北京 100006;2.科兰世检测技术(北京)有限公司，北京 100006)

艉轴管的超声相控阵检测

邓 丹1，高翌飞1，张泽义2，胡跃刚2，曹海静1

(1.中国船级社实业公司无损检测实验室, 北京 100006;2.科兰世检测技术(北京)有限公司，北京 100006)

艉轴管属于大型管状铸锻件，使用常规超声方法对其进行检测时，内壁检测区域大，手工检测效率低，工程实施性差。考虑到超声相控阵检测技术具有C扫描成像功能、动态深度聚焦功能及扫查速度快等特点，将相控阵超声技术应用于艉轴管的检测中，并使用常规超声检测对艉轴管进行复检；对比两者检测结果，验证了设计的艉轴管超声相控阵检测方案是可行、可靠的，并且具有常规超声检测无法比拟的检测优势。

艉轴管；铸锻件；超声相控阵；常规超声

图1 某艉轴管的实物图片

船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分，轴系的构件有螺旋桨轴、中间轴、推力轴、轴承、尾管及其密封装置等。常规船舶一般为尾机舱，且螺旋桨产生的推力由减速齿轮箱承受，因此轴系中一般仅设尾轴(螺旋桨轴)。艉轴管作为自航船中传递力矩最大的构件[1]，其质量的好坏不仅关系到主机的正常运转，还将直接影响船舶的安全航行。艉轴管属于大型管状铸锻件，一般其内孔为等直径孔，壁厚沿轴线方向变化,图1为某艉轴管的实物图片。艉轴管从铸锻件厂生产到安装至船体上的过程中，从对原始柱状件镗孔后还需进行两次车加工：第一次是镗孔后由厂家粗车；第二次是艉轴管运到船厂之后，在安装艉轴管的过程中，为实现精确对中，配合轴管直径大小，还需进行多余厚度的精车。因铸件本身质量不易控制，常在精车过程中出现如气孔、沙眼、甚至大面积空洞等缺陷。对于艉轴管的内在质量检测，目前常用的无损检测方法为传统超声检测。传统超声检测时，内壁检测区域大、手工检测效率低、工程实施性差。

而超声相控阵检测技术具有的C扫描成像功能，可以更直观地显示缺陷以及缺陷尺寸，完成对检测区域的完整覆盖；动态深度聚焦功能可以实现不同深度的聚焦，提高各个检测位置的灵敏度及信噪比。这两点对晶粒本身就比较粗糙的艉轴管铸件来说尤为重要，十分适合于提高缺陷的分辨力[2-4]，而且相控阵线性扫查速度比常规超声检测探头的光栅扫查速度要快得多，可大幅提高艉轴管的检测效率。因此，笔者将超声相控阵检测技术应用于艉轴管缺陷的检测中：首先参考铸锻件超声波检测及超声相控阵检测通用技术标准[5]，制作对比试块进行探索性试验，用以确定合适的检测器材、耦合剂，以及超声相控阵的检测范围等条件。在此基础上对艉轴管实物进行正式检测，以验证超声相控阵技术的实物检测效果，并使用常规超声检测进行复检，对比两者的检测结果，最后对超声相控阵检测艉轴管技术的检测特点、优势等进行分析总结。

1 艉轴管超声相控阵检测系统

1.1 检测仪器及探头

艉轴管超声相控阵检测试验采用奥林巴斯公司的超声相控阵检测仪Omniscan MX2，配置32/128PR相控阵模块进行。相比于常规超声检测仪，超声相控阵检测仪具有高采集速率和实时彩色成像等功能，检测结果可实现S扫、B扫和C扫显示，可更为有效地进行手动和自动检测，便于缺陷判读。铸锻件中多数缺陷的取向具有一定的规律，即锻压后的缺陷以平面型缺陷为主，平面型缺陷的方向与锻压方向垂直，因此，铸锻件检测主要使用纵波直探头进行。艉轴管超声相控阵检测试验采用5L64-A2线扫探头，配套0°扫查楔块。超声相控阵检测仪Omniscan MX2、5L64-A2线扫探头和0°扫查楔块实物图片如图2所示。

图2 检测仪器、探头及楔块实物图片

1.2 对比试块的制作 按船厂的检测要求，对艉轴管内壁进行全范围的扫查，需要全面反映出内壁壁厚10～30 mm范围内铸件的质量，参考EN12680-3:2011UltrasonicTestingPart3:SpheroidalGraphiteCastIronCastings标准的规定，对比试块反射体类型选为平底孔，起始灵敏度要求至少为φ3 mm平底孔。在与被检艉轴管工件材质、表面粗糙度和声程相同的对比试块上加工一组埋深分别为5,10,15,20,25,30 mm的φ3 mm平底孔，以此作为对比试块。对比试块中平底孔深度最大为30 mm，满足了艉轴管的检测要求。

图3 扫查器实物图片

1.3 扫查器

为了实现对艉轴管内壁的全范围自动扫查，设计了具有周向旋转装置和轴向推进装置的扫查器，可实现周向旋转和轴向推进动作，扫查器样机实物图片如图3所示。周向旋转装置加载壁上的安装孔和弹簧可以调节探头与管内壁的接触力；轴向推进装置采用四轮组结构，每个轮组均为磁性且接触面为球面，可与管内壁曲面大面积贴合，保证周向旋转时扫查器底座不动和行走时沿轴向直线运动。扫查器的周向编码分辨率为36步/mm，轴向步进编码分辨率为999步/mm。

2 检测试验与结果分析

2.1 超声相控阵检测试验

被检艉轴管长为2 m，直径为990 mm，将艉轴管按周向和轴向方向划分为多段，采用超声相控阵检测技术对艉轴管实物内壁进行分段扫描检测，内壁扫描展开图如图4所示，检测工艺为：

(1) 检测探头为5L64-A2线扫探头，配合0°扫查楔块，检测频率选用5 MHz。

(2) 耦合剂选用水，耦合效果良好，声能在界面的损失小。

(3) 相控阵探头聚焦深度设置为30 mm。

(4) 以5L64-A2探头在对比试块上的φ3 mm平底孔上制作的TCG(深度补偿)曲线为基准灵敏度，提高12 dB作为表面耦合补偿。

(5) 扫查器周向旋转装置和轴向推进装置调整到艉轴管检测起始位置后，将当前位置设置成相对零点，以后的各种运动都参考零点输出编码器的数值，扫查器周向旋转线速度设置为50 mm·s-1，轴线步进速度为20 mm·s-1。扫查过程中要注意使探头加载臂处于良好的平衡状态，从而保证探头与工件的耦合效果。

图4 艉轴管的内壁扫描展开图

经检测，共发现15处缺陷，缺陷数据如表1所示。以3号缺陷的超声相控阵检测结果为例，其对应的相控阵超声扫描结果图像如图5所示，圆圈内分别为该缺陷的A扫(上左)、B扫(上右)及C扫(下部)显示。

图5 艉轴管3号缺陷的超声相控阵扫描结果

表1 艉轴管超声相控阵检测结果 mm

2.2 与常规超声检测数据的对比

将超声相控阵检测出的15处缺陷在艉轴管上做好标记，使用常规超声检测技术对其进行复检，发现这15处缺陷均能被检测出。

将超声相控阵检测结果与常规超声检测得到的结果进行比较，发现1～12号，14号、15号缺陷的超声相控阵和常规超声的检测结果基本相符，长度误差在2 mm以内；13号缺陷的常规超声检测得到的长度测量值35 mm大于超声相控阵检测得到的长度测量值9 mm，这是由于在超声相控阵检测得到的13号缺陷的C扫描图(见图6)中，相邻的一些小缺陷显示可以被明显地加以区分出来，从而可得到密集缺陷区的更准确的缺陷长度方向的尺寸，而常规超声检测结果主要依靠A扫描视图，对于艉轴管铸件内密集小缺陷区的每个缺陷较难区分，易将相邻的缺陷计为一个缺陷，因此常规超声最后检测的缺陷长度偏大。

图6 艉轴管13号缺陷的C扫描图

总体上，从超声相控阵和常规超声的对比检测结果,可验证笔者设计的艉轴管的超声相控阵检测方案是可行、可靠的。

3 结论

(1) 通过相控阵超声和常规超声的对比检测结果，验证了超声相控阵检测技术对艉轴管检测的可行性，使用该技术可有效检测出艉轴管所关注区域的内部缺陷。

(2) 配备专门的扫查器，超声相控阵检测技术可对艉轴管实现100%全覆盖检测，可全自动扫查并输出二维位置编码信息，检测稳定高效、检测速度快，具有手工检测无法比拟的优势。

(3) 相比于常规超声检测技术，超声相控阵检测技术C扫描成像的缺陷检测方式，缺陷检出率高，可以从图像上清晰地分辨出相邻较近的缺陷，因此可更准确地测量密集缺陷区的缺陷尺寸。

[1] 张轶清. 船舶艉轴管滑油漏泄污染事故的分析处理[J]. 科技创新，2008(5)：46-47.

[2] 李衍. 取样相控阵超声实时三维成像的工业应用[J]．无损检测，2011，33(5)：10-13.

[3] 焦敬品，聂绍珉. 相控阵超声技术及在大锻件制造过程监控中的应用[C]∥第十二届全国塑性工程学术年会暨第四届全球华人塑性加工技术研讨会论文集.重庆：中国机械工程学会塑性工程分会，2011：252-255.

[4] 靳世久，杨晓霞，陈世利.相控阵超声检测技术的发展及应用[J].电磁测量与仪器学报，2014，28(9)：925-933.

[5] 崔艳国，黄会婷，吴远建. 国内外铸钢件超声波探伤标准的对比分析[J]. 检查与测量，2009(1)：45-47.

The Ultrasonic Phased Array Inspection of Stern Tube Shaft

DENG Dan1, GAO Yifei1， ZHANG Zeyi2, HU Yuegang2, CAO Haijing1

(1.CCSNDT Lab., Beijing 100006， China;2. CCSNDT Technologies Ltd., Beijing 100006, China)

As a kind of large tubular casting and forging, the stern tube shaft was usually detected by conventional ultrasonic testing method, resulting to low manual inspection efficiency and poor engineering implementation due to its large inspection area of the inner wall. Considering the C scan imaging function, the characteristics of dynamic depth focusing function and scanning speed of ultrasonic phased array testing technology, the ultrasonic phased array technique is applied to detect such stern tube shafts. Comparison with the results of conventional ultrasonic testing has proven that the designed scheme of ultrasonic phased array for stern tube shaft is feasible, reliable and has incomparable advantages.

stern tube shaft; casting and forging; ultrasonic phased array; conventional ultrasound

2017-05-19

邓 丹(1987-)，女，硕士，主要从事超声、电磁无损检测技术研究

邓 丹, ddeng@ccsi.com.cn

10.11973/wsjc201708009

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0037-04