无损探伤技术在船舶检测工艺中的应用研究毕业论文.docx
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无损探伤技术在船舶检测工艺中的应用研究毕业论文
无损探伤技术在船舶检测工艺中的应用研究毕业论文
绪论………………………………………………………………………………1
第1章无损探伤技术概况……………………………………………………2
第1节无损探伤定义及产生背景………………………………………………2
第2节探伤种类及缺点……………………………………………………3
第2章射线探伤原理及应用…………………………………………………8
第1节射线探伤概述…………………………………………………………8
第2节射线探伤法在船舶检验中应用规范…………………………………24
第3章超生波探伤原理及应用………………………………………………26
第1节超声波探伤的物理基础…………………………………………………26
第2节波的反射、透射及衰减…………………………………………………30
第3节超声波发射声场和规则反射体的回波声压……………………………31
第4节仪器和探头的性能及其测试……………………………………………34
第5节常用探伤方法和技术……………………………………………………35
第6节板材及管材超声波探伤…………………………………………………41
第7节焊缝超声波探伤………………………………………………………42
第4章磁粉探伤概况及应用……………………………………………45
第1节磁粉探伤基础知识……………………………………………………45
第2节荧光磁粉探伤法在船舶检验应用…………………………………46
第5章110000吨油轮无损探伤工艺检测流程…………………………49
第1节110000吨油轮射线探伤检测工艺流程………………………………49
第2节110000吨油轮超声波探伤检测工艺流程……………………………56
第3节110000吨油轮磁粉探伤检测工艺流程………………………………62
设计总结……………………………………………………………………65
参考文献……………………………………………………………………66
绪论
船舶制造业自20世纪初开始研究焊接应用技术，并于1920年以英国船厂首次采用焊接技术建造远洋船为标志，焊接技术逐渐在船厂得到推广应用，并迅速取代铆接技术。
由于焊接过程中各种参数的影响，焊缝中有时候不可避免地会出现裂纹、气孔、央渣、未熔合和未焊透等缺陷。
为了保证焊接构件的产品质量，必须对其中的焊缝进行有效的检测和评价，尤其是在船舶压力管道、分段大接缝、外板及水密与强力接点等部位进行质量检测是十分必要的。
众所周知，船舶结构件发生焊接裂纹对结构强度和航行安全危害极大，特别是一些隐性裂纹不易发现，一旦船舶出厂，这些隐性裂纹后患无穷。
因此，船舶在建造焊接过程中产生的裂纹一经发现，就必须立即查明原因并采取果断的措施彻底根除。
焊接质量的检验方法，一般分无损检验和破坏检验两大类，采用何种方法，主要根据产品的技术要求和有关规范的规定。
无损探伤分X射线照相探伤、超声波探伤、磁粉探伤和渗透检验。
破坏检验方法是用机械方法在焊接接头（或焊缝）上截取一部分金属，加工成规定的形状和尺寸，然后在专门的设备和仪器上进行破坏试验。
依据试验结果，可以了解焊接接头性能及内部缺陷情况，判断焊接工艺正确与否。
经检验，船体结构焊缝超过质量允许限值时，应首先查明产生缺陷的原因，确定缺陷在工件上的部位。
在确认允许修补时，再按规定对焊缝进行修补。
第1章无损探伤技术概况
第1节无损探伤定义及产生背景
1.11无损检测的定义
现代无损检测的定义是：
在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。
无损检测是在现代科学技术发展的基础上产生的。
例如，用于探测工业产品缺陷的X射线是在德国物理科学家伦琴发现X射线基础上发生的，超声波检测是在二次世界大战中迅速发展的声纳技术和雷达技术的基础上开发出来的，磁粉检测建立在电磁学理论的基础上，而渗透检测得益于物理化学的进展，等等。
长期以来，无损检测技术主要应用于工业材料和制品的质量监测，在接下来的章节中，将对船舶焊缝中无损探伤的展开研究。
1.12无损检测的背景及发展
随着工业生产的发展，无损检测的发展大致经历了三个阶段，即无损探伤NDI（Non—destruetiveInspeetion），无损检验NDT（Non—destruetiveTesting）及无损评价NDE（Non--destruetiveEvaluation），目前一般统称为无损检测NDT。
其中，NDI是在不损坏产品的前提下，发现人眼无法直接观察到的缺陷；NDT是不但检验最终产品，而且要测量过程的工艺参数：
NDE是不仅要探出缺陷的有无及位置，而且还要测出缺陷的类型、尺寸、形状、取向以及对力学行为的影响等，以便用断裂力学的方法对被测产品作出检修周期和使用安全性的结论。
因此，NDE包括NDI及NDT的内容，更具有综合性。
材料和工件的无损检测和评价，对于控制和改进生产过程和产品的质量，保证材料、零部件、产品的可靠性和生产过程的安全性，以及提高劳动生产率等都起着关键性的作用.
无损检测作为一项工业技术，被应用于产品的整个制造、服役过程中，是现代工业发展必不可少的有效工具。
因此世界各国对无损检测技术的研究都非常重视，大力开展了无损检测技术的研究工作。
可以说，无损检测与评价技术的发展标志着一个国家的现代化工业水平，其复杂系统集成技术己经广泛应用于交通、制造、石油、核发电站以及国防等工业领域，渗透到各：
I二业结构与产品的全寿命质量控制和质量管理中，并利用最低的成本来获取最大的效益。
其中在船舶焊缝探伤中，也有了很好的应用
第2节无损探伤的种类及优缺点
无损检测具有悠久的历史，长期以来人们在实践中形成了许多实用的无损检测方法，而且随着各种新技术的出现还在逐步增加，典型的方法如下：
（1）目视检测（visualTesting）
1）原理：
由人眼或光敏设备对被检测物体的反射光或发射光成像
2）应用范围：
许多工业领域和场合都可以用，从原材料到成品到使用检查
3）优点：
廉价、简单、培训很少、范围广、优点多
4）缺点：
只能评价表面状态，需要光源，必须能接近，如图2．1。
注：
目视检测无法看到下面裂纹
（2）射线检钡I（RadiograPhicTesting）
射线探伤法是利用射线透过物体时，会发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在而影响射线的吸收来探测缺陷的，以胶片作为记录信息器材的无损检测方法。
该方法是最基本的、应用最广泛的一种射线检测方法。
一般把被检的物体安放在离射线装置500～1000mm的位置处，把胶片紧贴在试样背后，让射线照射适当的时间（几分钟到几十分钟）进行曝光．把曝光后的胶片在暗室中进行显影、定影、水沈和干燥。
将干燥的底片放在观片灯的显示屏上观察，根据底片的黑度和图像来判断存在缺陷的种类、大小和数量，随后按通行的标准对缺陷进行评定分级。
原理：
放射线穿透试件时胶片曝光，不连续对曝光有影响。
如图
2）应用范围：
适用于大部分材料，开关和结构。
例如新制造或在用的焊接件，铸件组合件等。
3）优点：
检测结果有直接记录——底片，由于底片上记录的信息十分丰富，且可以长期保存，从而使射线照相法成为各种无损检测方法中记录最真实、最直观、可追踪性最好的检测方法。
可以获得缺陷的投影图像，缺陷定性定量最准确。
体积型缺陷检出率很高，而面积型缺陷的检出率受到多种因素影响。
4）缺点：
适宜检验较薄的工件而不适宜较厚的工件；适宜检测对接焊缝，检测角焊缝效果较差，不适宜检测板材、棒材、锻件；对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难；检测成本高；射线照相法检测速度慢；平面不连续的（可检测方向）有临界值；射线对人体有伤害。
（3）超声波检测（PenetrationTesting）
超声波是一种频率超过20KHz的特殊声波，除具有传统声波传输的基本物理特性，（如：
反射、折射和衍射等）外，其还具有方向性集中、穿透力强、振幅小等特点因而．超声波检测技术在实时控制、高精度、无损伤等方面均具有优势，广泛应用在工业无损检测等领域。
用于无损检测的超声波频率一般在0.5～10MHz之间，如钢等金属材料的常用检测频率为l～5Hz。
超声波探伤是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法。
目前，广泛使用的探伤方法是脉冲反射法，该探伤方法的基本原理是将超声波脉冲发射到被测样本中，然后接收来自样本的发射波，根据发射波声压的不同以实现对被测材料中缺陷的定位和识别。
超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷，所谓超声波是指超过人耳听觉、频率大于20kHz的声音。
1）原理：
来自传感器的高频声脉冲在试件材料中传播，遇交界面反射
2）应用范围：
只要声音传播性和表面粗糙度较好，形状不复杂，可适用于大多数材料的检查
3）优点：
提供快速，精确，高灵敏的检验结果。
厚度信息，深度及缺陷种类等都可在构件的一个表面得到
4）不足：
通常没有永久记录。
材料衰减，表面租糙和外形影响检测。
需耦合剂。
（4）磁粉检测（MagneticParticleTesting）
自然界有些物体具有吸引铁、钴、镍等物质的特性，我们把这些具有磁性的物体称为磁体。
使原来不带磁性的物体变得具有磁性叫磁化，能够被磁化的材料称为磁性材料。
铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度，磁力线增大几百倍到几千倍如果材料中存在不连续性缺陷，磁力线会发生畸变，由于缺陷中空气介质的磁导率远远低于试件的磁导率，使磁力线受阻．一部分磁力线挤到缺陷的底部，一部分穿过裂纹。
一部分排挤出工件的表面再进入工件。
如果这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积。
我们称之为磁痕，从而显示缺陷。
1）原理：
磁化被测部件后将细磁粉涂于表面．不连续处会呈现线条
2）应用范围：
适用于检测所有铁磁性材料的表面或近表面的不连续
3）优点：
使用相对简单，设备或材料通常廉价，比PT灵敏，快捷；可以检查出表面和近表面缺陷；检测灵敏度很高，可以发现极其细小的裂纹。
4）不足：
只用于表面和近表面的不连续，只是用于铁磁性材料工件的形状和尺寸有时对探伤有影响，因其难以磁化而无法探伤。
（5）渗透检测（PenetrationTesting）
零件表面被施涂含有荧光染料或者着色染料的渗透液后，在毛细管作用下，经过一定时间，渗透液可以渗进表面开口的缺陷中：
经去除零件表面多余的渗透液后，再在零件表面施涂显影剂，同样，在毛细管作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中：
在一定的光源下（紫外线或者白光），缺陷处的渗透液痕迹被显示（黄绿色荧光或者鲜艳红光），从而探测出缺陷的型貌以及分布状态。
如图
1）原理：
将可视或荧光物资的液体涂到表面，由毛细作用进入不连续处
2）应用范围：
事实上可以用于任何无覆盖层，未污染的无吸附性固体
3）优点：
操作相对简单，材料廉价，特别敏感，通用，培训少渗透探伤可以用于疏松多孔性材料外任何种类的材料；形状复杂的部件也可用渗透探伤，并一次操作就可大致做到全面检测：
同时存在几个方向的缺陷，用一次探伤操作就可完成检测；不需要大型的设备，可不用水、电。
4）不足：
只能检测到开口至表面的不连续，表面必须相对光滑且没有污染物；检测工序多，速度慢；检测灵敏度比磁粉探伤低；材料较贵，成本较高；有些材料易燃，有毒。
（6）涡流检测（Eddycurrenttesting）
1）原理：
导电试样在电磁感应的作用下产生局部电场
2）应用范围：
几乎可以对所有导体的缺陷，冶金状态，减薄及导电性进行检验
3）优点：
快速，通用，灵敏，非接触式，适于自动化和现场检验
4）不足：
必须理解和控制变量。
只穿透浅层，离地距离和表面条件限制。
第2章射线探伤原理及应用
第1节射线探伤概述
射线探伤是利用射线可以穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现其中缺陷的一种无损探伤方法。
它可以检查金属和非金属材料及其制品的内部缺陷，如焊缝中的气孔、夹渣、未焊透等体积性缺陷。
这种无损探伤方法有独特的优越性，即检验缺陷的直观性、准确性和可靠性，而且，得到的射线底片可用于缺陷的分析和作为质量凭证存档。
但此法也存在着设备较复杂、成本较高的缺点，并需要对射线进行防护。
射线的产生、性质及其衰减
1．X射线的产生
用来产生X射线的装置是X射线管。
它由阴极、阳极和真空玻璃（或金属陶瓷）外壳组成，其简单结构和工作原理如图3-1所示。
阴极通以电流加热至白炽状态时，其阳极周围形成电子云，当在阳极与阴极间施加高压时，电子加速穿过真空空间，高速运动的电子束集中轰击阳极靶子的一个面积（几平方毫米左右、称实际焦点），电子被阻挡减速和吸收，其部分动能（约1%）转换为X射线,其余99%以上的能量变成热能。
图3-1X射线的产生示意图
2．X射线的主要性质
（1）不可见，以光速直线传播。
（2）具有可穿透可见光不能穿透的物质如骨骼、金属等的能力，并且在物质中有衰减的特性。
（3）可以使物质电离，能使胶片感光，亦能使某些物质产生荧光。
3.γ射线的产生及性质
γ射线是由放射性物质（60Co、192Ir等）内部原子核的衰变过程产生的。
γ射线的性质与X射线相似，由于其波长比X射线短，因而射线能量高，具有更大的穿透力。
例如，目前广泛使用的γ射线源60Co，它可以检查250mm厚的铜质工件、350mm厚的铝制工件和300mm厚的钢制工件。
4.射线
当射线穿透物质时，由于物质对射线有吸收和散射作用，从而引起射线能量的衰减。
射线在物质中的衰减是按照射线强度的衰减是呈负指数规律变化的,以强度为I0的一束平行射线束穿过厚度为δ的物质为例，穿过物质后的射线强度为：
I=I0e－μδ
式中I—－射线透过厚度δ的物质的射线强度；
I0—－射线的初始强度；
e—－自然对数的底；
δ—－透过物质的厚度；
μ—－衰减系数（㎝-1）。
射线探伤的方法及其原理
（一）射线照相法
射线照相法是根据被检工件与其内部缺陷介质对射线能量衰减程度的不同，使得射线透过工件后的强度不同，使缺陷能在射线底片上显示出来的方法。
如图3-2所示，从X射线机发射出来的X射线透过工件时，由于缺陷内部介质对射线的吸收能力和周围完好部位不一样，因而透过缺陷部位的射线强度不同于周围完好部位。
把胶片放在工件适当位置，在感光胶片上，有缺陷部位和无缺陷部位将接受不同的射线曝光。
再经过暗室处理后，得到底片。
然后把底片放在观片灯上就可以明显观察到缺陷处和无缺陷处具有不同的黑度。
评片人员据此就可以判断缺陷的情况。
图3-2射线照相法原理
（二）射线荧光屏观察法
荧光屏观察法是将透过被检物体后的不同强度的射线，再投射在涂有荧光物质的荧光屏上，激发出不同强度的荧光而得到物体内部的影象的方法。
此法所用设备主要由X射线发生器及其控制设备﹑荧光屏﹑观察和记录用的辅助设备﹑防护及传送工件的装置等几部分组成。
检验时，把工件送至观察箱上，X射线管发出的射线透过被检工件，落到与之紧挨着的荧光屏上，显示的缺陷影象经平面镜反射后，通过平行于镜子的铅玻璃观察。
荧光屏观察法只能检查较薄且结构简单的工件，同时灵敏度较差，最高灵敏度在2%～3%，大量检验时，灵敏度最高只达4%～7%，对于微小裂纹是无法发现的。
（三）射线实时成象检验
射线实时成象检验是工业射线探伤很有发展前途的一种新技术，与传统的射线照相法相比具有实时，高效、不用射线胶片、可记录和劳动条件好等显著优点。
由于它采用X射线源，常称为X射线实时成象检验。
国内外将它主要用于钢管、压力容器壳体焊缝检查；微电子器件和集成电路检查；食品包装夹杂物检查及海关安全检查等。
这种方法是利用小焦点或微焦点X射线源透照工件，利用一定的器件将X射线图象转换为可见光图象，再通过电视摄象机摄象后，将图象直接或通过计算机处理后再显示在电视监视屏上，以此来评定工件内部的质量。
通常所说的工业X射线电视探伤，是指X光图象增强电视成象法，该法在国内外应用最为广泛，是当今射线实时成象检验的主流设备，其探伤灵敏度已高于2%，并可与射线照相法相媲美。
该法探伤系统基本组成如图3-3所示。
图3-3X光电增强—电视成法探伤系统
1— 射线源2、5—电动光阑3—X射线束4—工件6—图象增强器7—耦合透镜组
8--电视摄象机9—控制器10--图象处理器11—监视器12—防护设施
（四）射线计算机断层扫描技术
计算机断层扫描技术，简称CT（Computertomography）。
它是根据物体横断面的一组投影数据，经计算机处理后，得到物体横断面的图象。
其装置结构如图3-4所示。
图3-4射线工业CT系统组成框图
1--射线源2—工件3—检测器4—数据采集部5—高速运算器6—计算机CPU7—控制器
8—显示器9—摄影单元10—磁盘11—防护设施12机械控制单元13—射线控制单元
14—应用软件15—图象处理器
射线源发出扇形束射线，被工件衰减后的射线强度投影数据经接收检测器（300个左右，能覆盖整个扇形扫描区域）被数据采集部采集，并进行从模拟量到数字量的高速A/D转换，形成数字信息。
在一次扫描结束后，工作转动一个角度再进行下一次扫描，如此反复下去，即可采集到若干组数据。
这些数字信息在高速运算器中进行修正﹑图象重建处理和暂存，在计算机CPU的统一管理及应用软件支持下，便可获得被检物体某一断面的真实图象，显示于监视器上。
射线探伤设备简介
射线探伤常用的设备主要有X射线机、γ射线机等，它们的结构区别较大。
一、X射线机
1．X射线机的分类和用途
X射线机即X射线探伤机，按其结构形式分为携带式、移动式和固定式三种。
携带式X射线机多采用组合式X射线发生器，体积小，重量轻，适用于施工现场和野外作业的工件探伤；移动式X射线机能在车间或实验室移动，适用于中、厚焊件的探伤；固定式X射线机则固定在确定的工作环境中靠移动焊件来完成探伤工作。
2．X射线管
X射线管是X射线机的核心部件，是由阴极、阳极和管套组成的真空电子器件，其结构如图3-5所示。
图3-5 Ｘ射线管结构示意图
1－阴极2－聚焦罩3－灯丝4－阳极罩5－阳极靶6－管套
（1）管套
它是X射线管的外壳。
为了使高速电子在X射线管内运动时阻力减小，管内要求有较高的真空度。
（2）阴极
X射线管的阴极起着发射电子和聚集电子的作用。
它主要由发射电子的钨丝和聚焦电子的聚集罩（纯铁或纯镍制成的凹面形）组成。
（3）阳极
X射线是从射线管的阳极发出的。
整个阳极构造包括阳极靶（钨等）、阳极体和阳极罩（铜，导电和散热）三部分。
由于X射线管能量转换率很低，阳极靶接受电子轰击的动能绝大部分转换为热能而被阳极吸收，因此阳极的冷却至关重要。
目前采用的冷却方式主要有辐射散热及油、水冷却等。
（1）焦点
X射线管的焦点是决定X射线管光学性能好坏的重要标志，焦点大小直接影响探伤灵敏度。
技术指标中给出的焦点尺寸通常是有效焦点。
因为影响透照清晰度和灵敏度的主要是有效焦点的大小。
由于阳极靶块与射线束轴线一般成200倾斜角，所以有效焦点大约是实际焦点的1/3。
3．X射线机的组成
X射线机通常由X射线管、高压发生器、控制装置、冷却器、机械装置和高压电缆等部件组成。
携带式X射线机是将X射线管和高压发生器直接相连构成组合式X射线发生器，省去了高压电缆，并和冷却器一起组装成射线柜，为了携带方便一般也没有为支撑机器而设计的机械装置。
4．X射线机选择
（1）根据工作条件选择
X射线机按其可搬动性分为携带式和移动式两大类。
携带式轻便，易于搬动。
移动式X射线机比较重，组件多，但管电压﹑管电流可以制作得较大，其线路结构和安全可靠性也较好。
因此对于零件较小，可以集中在地面工作的，宜选用移动式X射线机。
对于零件较大﹑需在高空或地下工作的，宜选用携带式X射线机
（2）根据被透物体的结构和厚度选择
X射线机是利用射线机透过被检验物质来发现其中是否有缺陷的。
所以，首先关心的是X射线机能否穿透欲检验物质的材料或焊缝。
X射线穿透能力取决于X射线的能量和波长。
X射线管的管电压愈高，发射的X射线波长愈短，能量愈大，透过物质的能力愈强。
因此，选择管电压高的X射线机可以得到高的穿透能力。
另外，X射线穿透过不同的物质时，物质对射线的衰减能力不同。
一般来说，被透照物质原子序数愈大﹑密度愈大则对射线衰减的能力愈大。
因此，透照轻金属或厚度较薄的工件时，宜选用管电压低的X射线机，透照重金属或厚度较大的工件时，宜选用管电压高的X射线机。
二、γ射线机
γ射线机按其结构形式分为携带式﹑移动式和爬行式三种。
携带式γ射线机多采用60Co作射线源，用于较厚工件的探伤。
爬行式γ射线机主要用于野外焊接管线的探伤。
γ射线机具有以下优点：
穿透力强，最厚可透照300mm钢材；
透照过程中不用水和电，因而可在野外、对带电高压电器设备、高空、高温及水下等多种场合下工作，可在X射线机和加速器无法达到的狭小部位工作。
主要缺点是：
半衰期短的γ源更换频繁；要求有严格的射线防护措施；探伤灵敏度略低于X射线机。
三、加速器
加速器是一种利用电磁场使带电粒子（如电子、质子、氘核、氦核及其他重离子）获得能量的装置。
用于产生高能X射线的加速器主要有电子感应式、电子直线式和电子回旋式三种。
目前应用最广大的电子直线加速器。
由于加速器能量高，射线焦点尺寸小，探伤灵敏度高，且其射线束能量、强度与方向均可精确控制，其应用已日益广泛。
焊缝射线照相法探伤
射线照相法具有灵敏度较高﹑所得射线底片能长期保存等优点，目前在国内外射线探伤中，应用最为广泛。
射线照相法探伤法是通过底片上缺陷影象，对照有关标准来评定工件内部质量的。
对于焊接射线探伤而言，我国已经制订了国家标准。
以下介绍射线照相中的各项主要技术。
一、象质等级的确定
象质等级就是射线照相质量等级，是对射线探伤技术本身的质量要求。
我国将其划分为三个级别：
A级——成象质量一般，适用于承受负载较小的产品和部件。
AB级——成象质量较高，适用于锅炉和压力容器产品及部件。
B级——成象质量最高，适用于航天和核设备等极为重要的产品和部件
不同的象质等级对射线底片的黑度﹑灵敏度均有不同的规定。
为达到其要求，需从探伤器材﹑方法﹑条件和程序等方面预先进行正确选择和全面合理布置，对给定工件进行射线照相法探伤时，应根据有关规定和标准要求选择适当的象质等级。
二、探伤位置的确定及其标记
在探伤工件中，应按产品制造标准的具体要求对产品的工作焊缝进行全检即100%检查或抽检。
抽检面有5%﹑10%﹑20%﹑40%等几种，采用何种抽检面应依据有关标准及产品技术条件而定。
对允许抽检的产品，抽检位置一般选在：
可能或常出现缺陷的位置；危险断面或受力最大的焊缝部位；应力集中部位；外观检查感到可疑的部位。
1．探伤位置的确定
根据《压力容器安全监察规程》，可对探伤位置确定如下：
（1）筒体与封头连接部位，因此1～5﹑31～45二条环焊缝应100%探伤，共拍片30张。
（2）筒节纵环逢交叉部位，因此中间环焊缝16～17﹑23～24二区段必须探伤。
另外，根据规定，除16～17﹑23～24二个区段外，尚需再自行增加一个探伤区段。
（3）筒体纵缝X—321上的0～1﹑6～7二区段占焊缝长度的28%；X—322的0～1﹑7～8二区段已占焊缝长度25%，均大于20%的要求。
2．标记
对于选定的焊缝探伤位置
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