郭 健

(中國船級社青島分社，山東 青島 266000)

超聲波測厚儀在定位鋼板反面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

郭 健

(中國船級社青島分社，山東 青島 266000)

針對船舶建造中檢查艙壁甲板兩側(cè)結(jié)構(gòu)對位準(zhǔn)確性問題，提出了一種操作簡便快捷、適用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的定位鋼板反面結(jié)構(gòu)位置的工藝方法—超聲波測厚儀定位法。從理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證的角度論證了超聲波測厚儀定位法的可行性，從而在實(shí)際生產(chǎn)中為工藝改進(jìn)和節(jié)省成本提供了有益的參考。

超聲波測厚儀; 定位; 反面結(jié)構(gòu); 對位; 鋼板

0 引言

船舶建造過程中經(jīng)常會(huì)遇到要求艙壁或甲板兩側(cè)的結(jié)構(gòu)精確對位的問題。然而，由于要求對位的結(jié)構(gòu)常常位于鋼板的兩側(cè)，無法直接通過測量來檢查，這就為檢查對位準(zhǔn)確性帶來了一定的困難。目前,雖然船廠有多種檢查對位的方法,但準(zhǔn)確性難以保證。因此,為提高船舶建造質(zhì)量,有必要研究一種用于艙壁或甲板兩側(cè)的結(jié)構(gòu)精確對位的檢查方法。

本文介紹的超聲波測厚儀定位法(以下稱超聲波定位法)，所需工具僅為1臺(tái)超聲波測厚儀，可以從鋼板正面準(zhǔn)確地定位出鋼板反面的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，而且同樣適用于常見的厚板。

1 船廠常用的檢查方法

目前在船廠常用的檢查方法有以下5種。

1.1 檢查線法

檢查線法要求在結(jié)構(gòu)裝配前畫結(jié)構(gòu)線的同時(shí)也畫出檢查線，具有準(zhǔn)確直觀的優(yōu)勢，是目前船廠裝配精度控制的最主要方法。缺點(diǎn)是對船廠質(zhì)量體系要求高，且檢查線在后續(xù)施工中常常被破壞難以識(shí)別。

1.2 敲擊法

敲擊法是通過敲擊鋼板聽聲音辨別反面結(jié)構(gòu)的位置。缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性較低，難以精確定位。

1.3 涂刮法

涂刮法是用粉筆或石筆涂刮鋼板，反面已焊接的結(jié)構(gòu)會(huì)顯現(xiàn)在涂刮痕跡上。缺點(diǎn)是板厚超過16 mm時(shí)，則很難涂刮出反面結(jié)構(gòu)的痕跡。

1.4 油漆烤痕法

油漆烤痕法是通過在一側(cè)烤鋼板，使反面油漆出現(xiàn)烤痕，再以烤痕為參照，測量反面結(jié)構(gòu)的位置。缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度不高，且會(huì)破壞油漆。

1.5 鉆孔法

鉆孔法是在鋼板上鉆個(gè)小孔，再以小孔為參考，測量反面結(jié)構(gòu)的位置。缺點(diǎn)是會(huì)破壞鋼板。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，檢查線常常被破壞，以致無法分辨。尤其對于較厚的板材來講，兩側(cè)結(jié)構(gòu)對位情況的檢查就成了困難、繁瑣而且準(zhǔn)確性差的工作，例如，船舶主機(jī)及輔機(jī)基座與反面加強(qiáng)的對位，甲板上系泊設(shè)備與甲板下加強(qiáng)的對位等。

2 超聲波測厚儀原理介紹

超聲波測厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的。當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測材料的厚度。

當(dāng)鋼板的反射面不平行于測厚探頭所在平面時(shí)，由于反射的超聲波脈沖回波脫離了探頭的范圍，這時(shí)候測厚儀接收不到有效回波，將不顯示示數(shù)。

超聲波定位法原理示意圖如圖1所示。圖1顯示，用超聲波測厚儀的探頭在甲板正面掃查，測厚儀將顯示甲板厚度。將探頭按圖示方向緩緩移動(dòng)，當(dāng)探頭到達(dá)反面結(jié)構(gòu)焊腳根部上方時(shí)，測厚儀示數(shù)將從甲板厚度變化為無示數(shù)；繼續(xù)移動(dòng)探頭，當(dāng)探頭到達(dá)角焊縫熔深處，測厚儀示數(shù)將從無示數(shù)變化為甲板厚度；繼續(xù)移動(dòng)探頭，按照同樣方法可探測出另一面焊腳的熔深處和根部。這樣就精確定位出角焊縫的位置，從而精確定位出反面結(jié)構(gòu)的位置。

圖1 超聲波定位法原理示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

理論上可行，但實(shí)際的可操作性和精確度如何，還需要實(shí)踐來驗(yàn)證。為此，作者設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)，分別來驗(yàn)證如下命題。

(1)超聲波脈沖主要是從圓探頭圓心發(fā)射的。

(2) 實(shí)際探測時(shí)檢驗(yàn)是否具有可行性并且操作簡便。

(3)實(shí)際探測的結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠。

試驗(yàn)1：用厚度試塊驗(yàn)證超聲波脈沖主要是從圓探頭圓心發(fā)射的。

超聲波能量主要集中在聲源正前方以聲軸為中心的主聲束，其余部分聲束的能量很小，可以忽略不計(jì)。對于圓探頭來講，超聲波的聲軸為圓心法線，超聲波脈沖沿著圓心法線具有集中指向性，如圖2所示。下面的試驗(yàn)將驗(yàn)證這一點(diǎn)。

圖2 圓探頭聲場指向性示意圖

將探頭從試塊中心向外緩緩移動(dòng)，測厚儀顯示的是試塊厚度。當(dāng)探頭圓心移出試塊邊緣，測厚儀顯示屏變化為無示數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)論：超聲波脈沖是從圓探頭圓心發(fā)射的，當(dāng)測厚儀示數(shù)發(fā)聲變化時(shí)，探頭圓心的位置即對應(yīng)著鋼板反射面變化的位置。

試驗(yàn)2：在實(shí)船上試驗(yàn)超聲波定位法的可行性和操作簡便性。

在甲板上某絞車基座處測量其反面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的對位情況，如圖3所示。

第1步，定位角焊縫的焊腳根部。在測量部位涂上水作耦合劑，用測厚探頭從反面構(gòu)件一側(cè)開始沿垂直于反面構(gòu)件的方向緩慢移動(dòng)，當(dāng)測厚儀示數(shù)從甲板板厚變成無示數(shù)時(shí)，用短鐵絲標(biāo)識(shí)出探頭圓心的位置。

圖3 實(shí)船測量反面結(jié)構(gòu)位置

第2步，定位角焊縫最大熔深位置。繼續(xù)緩慢移動(dòng)探頭，測厚儀持續(xù)一段距離無示數(shù)。當(dāng)測厚儀示數(shù)從無示數(shù)變化為甲板板厚時(shí)，用短鐵絲標(biāo)識(shí)下此時(shí)探頭圓心的位置。

第3步，定位另一側(cè)角焊縫最大熔深位置。繼續(xù)緩慢移動(dòng)探頭，測厚儀持續(xù)一段距離一直顯示甲板厚度。當(dāng)測厚儀示數(shù)從甲板板厚變成無示數(shù)時(shí)，用短鐵絲標(biāo)識(shí)出探頭圓心的位置。

第4步，定位另一側(cè)角焊縫焊腳根部。緩慢移動(dòng)探頭，測厚儀持續(xù)一段距離無示數(shù)。當(dāng)測厚儀示數(shù)從無示數(shù)變化為甲板板厚時(shí)，用短鐵絲標(biāo)識(shí)下此時(shí)探頭圓心的位置。繼續(xù)移動(dòng)探頭，測厚儀示數(shù)始終顯示甲板板厚，則說明已經(jīng)脫離反面結(jié)構(gòu)區(qū)域。

第5步，根據(jù)做出的4個(gè)標(biāo)識(shí)，來判定反面結(jié)構(gòu)的位置。

試驗(yàn)結(jié)論：實(shí)際操作過程簡便，測厚儀示數(shù)的變化與理論分析一致，具有簡便可操作性。

試驗(yàn)3：在實(shí)船上驗(yàn)證超聲波定位法的準(zhǔn)確性。

驗(yàn)證1，對某基座面板下可見的筋板進(jìn)行超聲波定位，并與實(shí)際位置對照，如圖4所示，定位非常準(zhǔn)確。

圖4 對某基座面板下的筋板定位

驗(yàn)證2，對某工藝孔附近的甲板縱骨進(jìn)行超聲波定位，并與實(shí)際構(gòu)件對照，如圖5所示，定位非常準(zhǔn)確。

圖5 對某工藝孔附近的甲板縱骨定位

試驗(yàn)結(jié)論：超聲波定位法準(zhǔn)確可靠，可以滿足建造精度的檢測需求。

4 實(shí)際應(yīng)用

在征得船廠、船東的同意后，將超聲波定位法應(yīng)用于在建3 600 t起重船的吊臂支座、絞車基座、錨機(jī)基座等與甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的對位測量。經(jīng)過培訓(xùn)的操作人員，在較短的時(shí)間內(nèi)，就能將反面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位置標(biāo)記在甲板上，便于檢查驗(yàn)收。這次測量檢查出了絞車基座及3903吊臂支座與甲板下加強(qiáng)對位偏差超標(biāo)。船廠根據(jù)測量結(jié)果對相應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。

5 局限性

由于超聲波定位法的原理是通過定位出焊腳的邊界，從而間接定位處反面結(jié)構(gòu)，所以這種方法同樣具有局限性。對于反面結(jié)構(gòu)兩側(cè)焊腳大小差別比較大，以及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處的定位，不夠直觀。這時(shí)候就要通過到反面做一些實(shí)際觀測，取得焊腳大小以及實(shí)際節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)來輔助測量。

6 結(jié)語

需要說明的是，本文僅針對定位填角焊縫的反面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，而對于深熔焊或者全焊透反面結(jié)構(gòu)，其定位過程中示數(shù)變化規(guī)律又有所不同，本文沒有一一列出。不過， 根據(jù)相似的原理和適當(dāng)?shù)姆椒?，同樣可以較為精確地測量出反面結(jié)構(gòu)的位置。

通過上述理論分析及實(shí)船試驗(yàn)，論證了超聲波定位法在定位鋼板反面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有操作簡便快捷、適用性強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢，是一種值得交流與推廣的工藝方法，對船廠節(jié)省人力物力成本，縮短工期，提高建造精度水平都有積極的意義。

[1] 李新. 淺談超聲波測厚[J].無損檢測, 1995, 17(9): 258-259,261.

[2] 林猷文, 張小燕. 超聲檢測技術(shù)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010.

2016-04-28

郭健(1988—)，男，注冊驗(yàn)船師，從事船舶及海洋工程項(xiàng)目建造及營運(yùn)檢驗(yàn)工作。

U671.99

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