船闸工程金属结构探伤装备配置研究

李 辉，吉同元，李鹏飞

（1.江苏省交通运输厅港航事业发展中心，江苏 南京 210000；2.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

引 言

闸阀门等金属结构作为船闸工程的重要组成部分，在日常运转过程中容易产生疲劳损伤、锈蚀等质量问题。对此，船闸养护部门会定期开展巡视检查和专项检测工作。目前船闸工程金属结构检测一般采用超声波探伤仪，受其技术原理制约，该方法在具体应用过程存在一定的盲区。

本文首先对金属结构探伤现状进行分析，然后对市场上较为成熟的其他金属结构探伤装备进行梳理，并从经济型、操作性、检测效果等方面进行分析，为船闸工程的金属结构探伤装备配置提供建议。

1 金属结构探伤现状分析

目前船闸养护部门金属结构探伤主要采用超声波探伤仪。超声波探伤仪是一种便携式的无损探伤仪器，它是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。

图1 超声波探伤现场

超声波探伤仪主要适用于闸阀门门体内部缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹杂等）检测和门体桁架焊缝质量检测。船闸工程中的浮式系船柱、系船钩、闸门顶底枢、启闭机等金属结构在长期服役后也容易出现疲劳裂纹、腐蚀变形等质量问题。超声波探伤仪受技术原理限制，存在以下问题：

1）从扫测盲区上看，由于超声换能器的余震等原因，导致表面存在扫测盲区，如构件表面的裂纹等缺陷超声波探伤仪则无法发现；

2）从构件形状上看，超声波探伤法要求被测物体表面平整，而实际养护工作中，存在大量的不规则构件，如系船柱等，对于不规则构件由于超声换能器无法与构件紧密耦合，导致无法检测；

3）从构件材质上看，船闸工程有大量的铸件如：发动机的壳体、轴承座等，超声波探伤法检测铸件，由于其粗晶粒性和非均质性，检测误差较大。综上所述，金属结构的无损探伤有必要配置其他设备以弥补超声波探伤仪的不足。

2 金属结构探伤装备梳理

除了超声波探伤仪外，金属结构的探伤装备按照技术原理分主要有：磁粉探伤仪、渗透探伤剂、射线探伤仪、涡流探伤仪、相控阵超声波探伤仪、声发射探伤仪等。其中磁粉探伤仪、渗透探伤剂和射线探伤仪在工程中应用最为广泛。

2.1 磁粉探伤仪

磁粉探伤仪主要由辄铁、线圈、磁头、磁粉和电源所组成，其工作原理为：磁化所需检测的铁磁性材料对象，被检测对象的周围就会因此而布满磁感线，而且其中材料没有损伤的地方磁感线分布较为均匀化，相反，有损伤的地方的材料附近的磁感线分布较为错乱，进而会形成一种漏磁场，那些被检测材料表面上事先铺撒的磁粉会被这种漏磁场所干扰，于是就会形成在人的肉眼下可见的磁痕，进一步就可以检测到物体表面或近表面处的损伤。

图2 磁粉探伤仪

2.2 渗透探伤剂

渗透探伤总的来说可以不使用专门仪器，现在广泛依靠的是显像液、洗涤剂、清洁装置荧光（或着色）渗透液及荧光（或着色）渗透液，而荧光着色需要搭配紫外光源一同使用。渗透检测的原理为涂抹含有荧光染料或着色剂的渗透液于被检的物体表面上，经过一定时间的毛细血管作用，渗透液会渗透进物体表面有损伤的细小裂缝中，接着将其表面附近没有渗透的液体擦去，然后经过充分干燥处理，再将显像剂吸附介质涂抹在被检测物件表面处。同理，损伤裂缝里的渗透液会在毛细血管作用下被显像剂所吸取，也就是渗透液往回渗透到显像剂里去，只要光照条件充足，就能够显示出损伤处中的渗透液，进而达到检测损伤的目的。

2.3 射线探伤仪

射线探伤仪主要包括四个部分，即控制系统、供电系统、冷却设施、防护设施。其可分为两大类：移动式射线探伤仪和便携式射线探伤仪。移动式射线探伤仪常用在透照室内，并且其管电流与管电压都较高。便携式射线探伤仪常用于检测现场，其管电压通常不超过 320 kV，最大的穿透厚度约为50 mm，机头由其射线管探伤机和高压发生装置构成，通过低压电缆连接控制箱。在检测现场使用的射线探伤仪中的射线通常是指X射线，检测对象通过吸收X射线及其自身的衰减，因为被测物体有一定的厚度，最后到达记录介质（如射线胶片）的射线强度也就不一样，即光子在记录介质上的不同位置数量不等，再经过暗室处理一下，不同黑度的缺陷影像就会在记录介质底片上出现，于是定性、定量损伤。

图3 射线探伤机

3 金属结构探伤装备适用性分析

3.1 经济性分析

上述四种金属结构的探伤装备技术都较为成熟，根据无损检测技术图书馆的数据显示，目前国内涉及相关无损检测设备器材制造的厂家达800多家，其中被无损检测技术图书馆收录的有390家。工程中应用的便携式无损检测探伤装备价格都较为便宜，其中国产超声波探伤仪均价约1万元，使用时基本无耗材；磁粉探伤仪均价约2 000元，使用时需购买黑磁粉；渗透探伤除喷枪等辅助设备外不涉及专用检测装备，使用时直接购买着色剂或者荧光剂；射线探伤仪均价约3万元，使用时需购买胶片及显影液体。

3.2 操作性分析

1）超声波探伤基本操作步骤：

a.根据被检测对象特征选择合适的探头（探头类型、频率、晶片尺寸等）和校准试块；

b.功能参数调节（闸门、波峰记忆、增益、零点等）；

c.探头校准及灵敏度调节；

d.清洗被检测零件表面；

e.涂抹耦合剂进行探伤；

f.根据声波信号进行缺陷识别。超声波探伤仪器轻便，但探头选择、校准、参数设置等技术难度较大，且探测结果为声波信号，直观性差，缺陷识别需具备专业的声学知识。

2）磁粉探伤基本操作步骤：

a.清除试件表面污垢并干燥处理；

b.选择适当的磁化方式和磁化电流值对试件进行磁化；

c.利用干法或湿法施加干粉或磁悬液；

d.通过磁痕进行缺陷判断；

e.探伤完成后，对试件进行退磁和防锈处理。磁粉探伤仪器轻便，参数设置较少，检测结果较为直观，操作难度较低。

3）渗透探伤基本操作：

a.清除试件表面污垢并干燥处理；

b.施加渗透剂；

c.渗透完成后，除去多余的渗透剂，并干燥处理；

d.施加显像剂；

e.观察识别缺陷；

f.根据需要施加清洗剂。渗透探伤不涉及专用仪器，无需进行参数设置校准等步骤，检测结果直观，操作难度低。

4）射线探伤基本操作：

a.在检测区域设安全线；

b.射线探伤仪预热及训机；

c.将探伤仪对准被检测构件，调整焦距和曝光条件；

d.固定探伤仪，开始探伤曝光；

e.洗胶片（显影、定影、冲洗和烘干）；

f.根据胶片进行缺陷识别。射线探伤仪器较为笨重，操作步骤较复杂，但检测结果较为直观。

3.3 检测效果分析

超声波探伤仪适合厚度较大的构件内部缺陷的检测，不适用于表面粗糙、形状不规则的工件，且在构件表面存在检测盲区，无法检测构件表面裂纹。磁粉探伤仪适用于铁磁材料，主要用于检测表面和近表面（深度不超过3 mm）缺陷，构件形状对检测影响结果较小。渗透探伤可以用于疏松多孔性材料外任何种类的材料表面开口类缺陷检测。射线探伤可以用于较薄的铸件、焊接件的表面及内部缺陷检测。

3.4 工作效率分析

超声波探伤为即时性检测，操作周期短效率高；磁粉探伤需喷涂磁粉，检测效率略低于超声波检测；渗透探伤分别施加渗透剂、显像剂和清洗剂，检测工序多，效率低；射线探伤检测前需要固定仪器检测完还需要洗胶片，效率较低。

3.5 安全性分析

超声波探伤仪采用超声波的反射和透射原理，不存在安全风险；磁粉探伤采用电磁场缺陷处的漏磁原理，存在轻微的电磁辐射，不需要特殊防护；渗透探伤采用渗透液的毛细作用，使用的探伤剂为化学制品，对环境有一定污染；射线探伤采用穿透性强的X射线或者Y射线，对人体有较强辐射，因此作业时需采取防护措施。

3.6 综合比较

根据上述分析，四类装备的综合比较如表1。

表1 金属结构探伤装备综合比较分析

4 结 语

目前船闸养护部门在金属结构探伤时主要采用超声波探伤仪。超声波探伤仪工作效率高，价格便宜，不存在安全风险，但它不适合表面粗糙，形状不规则的构件，且存在表面检测盲区，无法检测表面裂纹。从养护现状来看，船闸结构中存在较多的不规则构件，且金属结构表面裂纹也较为常见。因此有必要补充其他检测方法，缩小检测盲区。从上述分析可知，磁粉探伤仪适用于铁磁材料表面和近表面缺陷检测，构件形状影响小，需要一定的专业知识，建议由专业养护管理部门在大修或专项检测时使用；渗透探伤剂能够适用于大部分材料表面开口类缺陷检测，不受构件形状限制，结果直观，操作难度低，建议由基层闸管所配置在日常巡查中使用。