渦流檢測技術(shù)在承壓設(shè)備螺栓檢測中的運用

劉順勤

（曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

0 引言

螺栓螺母結(jié)構(gòu)廣泛運用于壓力容器的開孔部位、壓力管道的法蘭部位、風電機組設(shè)備、游樂設(shè)施設(shè)備、核電廠動力設(shè)備和發(fā)電廠動力設(shè)備等特種設(shè)備的連接部位中。由于其工作環(huán)境存在高溫、高應(yīng)力、與腐蝕介質(zhì)接觸等特點，加上經(jīng)常發(fā)生預(yù)緊力過高等原因，螺栓部件容易產(chǎn)生裂紋，尤其是壓力管道法蘭連接的緊固螺栓，在定期檢驗時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有危害設(shè)備安全運行的裂紋類缺陷。因此，對于大于M36 的主螺栓的檢驗，一直都是承壓類特種設(shè)備定期檢驗應(yīng)關(guān)注的重點檢驗項目，檢驗規(guī)程也要求嚴格檢測并盡早發(fā)現(xiàn)小裂紋或損傷。

通常采用的檢測方法有常規(guī)超聲檢測或磁粉滲透檢測，傳統(tǒng)的無損檢測給螺栓檢測帶來一些新的問題：多參數(shù)規(guī)格的螺栓型號對檢驗工藝帶來挑戰(zhàn)；能夠發(fā)現(xiàn)的裂紋類缺陷最小深度受到限制；檢測靈敏度和信噪比低；存在一定的環(huán)境污染等。

超聲相控陣螺栓檢測是螺栓檢測的新技術(shù)和新方向，該檢測工藝具有較好的技術(shù)可靠性以及較高的工作效率，值得進行研究、推廣和應(yīng)用。該文作者擬運用中國特檢院的最新研究成果，采用渦流檢測新技術(shù)對大型螺栓（M ≥36mm）進行檢測。

1 承壓設(shè)備螺栓檢測的現(xiàn)狀

目前國內(nèi)僅電力行業(yè)的DLT 694 《高溫緊固螺栓超聲檢測技術(shù)導(dǎo)則》、DLT439《火電發(fā)電廠高溫緊固技術(shù)導(dǎo)則》技術(shù)規(guī)范對螺栓進行常規(guī)超聲檢測或表面檢測[1-2]。部分檢測研究機構(gòu)對螺栓螺母進行試驗研究，中廣核檢測、國核運行以及武漢105 所三家單位引進國外核電螺栓螺母渦流檢測技術(shù)，并自主研發(fā)渦流檢測裝置，專門用于大型螺栓螺母渦流檢測[3]。北京英超利達電子有限公司針對娛樂設(shè)施高強度緊固螺采用小角度縱波探傷[4]，通過在螺栓對比試樣制作10 mm人工裂紋，試驗表明1 mm 深裂紋以下，裂紋反射回波與螺紋反射回波無法區(qū)分，探測1 mm 以上深裂紋時，裂紋反射回波與螺紋反射回波可明顯區(qū)分[5-6]。

該文選擇承壓設(shè)備中使用最為典型規(guī)格的螺栓螺母部件，采用渦流檢測方法，探索適用于大型螺栓螺母螺紋區(qū)渦流檢測專用掃查設(shè)備，從而解決承壓類特種設(shè)備使用中的典型大型螺栓螺母螺紋區(qū)表面檢測。

2 螺栓渦流檢測

根據(jù)螺栓的結(jié)構(gòu)特點，該文研究采用螺栓渦流專用掃查自動化檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開放式結(jié)構(gòu)，實時同步控制，非接觸式渦流檢測并可實現(xiàn)C 掃圖。采用“專用掃查裝備+PMAC 運動控制卡+TEDDY+渦流探傷儀+PC 機”的檢測模式，該系統(tǒng)可以快速地對大型螺栓上下螺紋區(qū)表面及近表面缺陷進行檢測并形成李薩如圖+C 掃成像分析，系統(tǒng)模塊組成如圖1 所示。

圖1 螺栓渦流檢驗系統(tǒng)模塊組成圖

2.1 專用掃查裝置

通過設(shè)計自動化的大型螺栓專用掃查裝置，實現(xiàn)快速有效的螺栓渦流自動化檢測。掃查裝置主要由支撐裝置、動力傳動機構(gòu)和通過垂直支架固定的掃查臂組成，重心靠近支撐座，通過連接支撐腿保證整個裝置水平穩(wěn)定。

2.2 渦流傳感器

該系統(tǒng)采用的渦流探頭為帶螺紋的楔形放置式探頭，能較好地適應(yīng)螺紋區(qū)的形狀，如圖2 所示。根據(jù)工件（螺栓）的特性及檢驗實施的便捷性，主要選擇以放置式線圈為主，在盡可能滿足檢查靈敏度和分辨力的情況下，我們采取將高能磁芯放置于線圈內(nèi)部以獲得高的磁通密度，提高檢測深度。同時考慮到螺栓常見缺陷為點狀和線狀缺陷，采取自比差動式線圈在獲得高的檢測靈敏度時也可以更好地抑制電平噪聲，一定程度上消除螺栓與探頭嚙合相對運動時的震動產(chǎn)生的水平噪聲對缺陷信號的干擾。對于差動式線圈，我們采取了2 種設(shè)計方式，一種為平面點式自比差分線圈，一種為正交+線圈。

圖2 傳感器制作示意圖

2.3 渦流檢測系統(tǒng)應(yīng)用

選用型號為西班牙TEDDY+多頻/多通渦流儀，通過西班牙TECNATOM 開發(fā)的TEDDY-GEN 軟件對數(shù)據(jù)進行據(jù)采集和分析。檢測對象為1Cr11MoNiW1bN-IV 低合金鋼螺栓，螺栓直徑M=100mm，長度為900 mm，機加工人工缺陷深度分別為0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm 的裂紋（由于螺栓為退役螺栓，已經(jīng)使用過8 年，根部的螺紋都已經(jīng)變形）。采樣率根據(jù)探頭與被檢螺栓/螺母的相對運動速度而定，但至少應(yīng)滿足每毫米大于2 個采樣點的要求，頻率設(shè)置為300 kHz。

2.3.1 系統(tǒng)設(shè)備連接

將螺栓/螺母安裝在專用裝置并進行對中和固定，然后連接設(shè)備及執(zhí)行數(shù)據(jù)采集分析軟件TEDDY-GEN。連接線包括：編碼器線纜（驅(qū)動上下編碼器上下運動控制）、控制線纜（控制箱控制上下運動的速度）、渦流數(shù)據(jù)線（渦流信號傳輸）以及交叉網(wǎng)線（渦流儀連接XP 電腦）。

2.3.2 系統(tǒng)標定

利用標定螺栓按照儀器的信號標定要求對渦流檢驗系統(tǒng)進行初始標定。信號調(diào)整后，0.5 mm 傷信號幅度為滿屏的20%，噪聲水平，且應(yīng)能夠明顯區(qū)分標定螺栓/螺母上的0.5 mm 人工傷深信號顯示與本底噪聲信號顯示。

2.3.3 檢測結(jié)果分析

連接渦流儀及控制系統(tǒng)，采用自動化裝置掃查螺栓螺紋區(qū)，進行渦流數(shù)據(jù)采集，采集后通過分析軟件打開采集的數(shù)據(jù)對檢測結(jié)果進行分析。檢測結(jié)果表明，在李薩如圖中（采集的數(shù)據(jù)為由上至下，最上面部分為2 mm 深度的裂紋，中間的為1 mm 深度的裂紋，最低端是0.5 mm 深度的裂紋）。可以根據(jù)顯示自由調(diào)節(jié)角度，將裂紋方向的缺陷調(diào)至90°（向右），以便所有的缺陷方向都向右，便于觀察。

將采集數(shù)據(jù)保存，并用分析軟件打開剛保存的渦流數(shù)據(jù)。在分析軟件中設(shè)定每米2 000 個采樣點，并讀取渦流檢測系統(tǒng)標定螺栓的標定數(shù)據(jù)，標定為2 mm 裂紋深度的渦流幅值電壓為8 V，通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)C 掃對比度，觀察能夠顯示缺陷最佳對比度。

結(jié)果分析如下。1）根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，深度為2 mm 裂紋的電壓幅值為10.21 V，深度為1.0 mm 裂紋的電壓幅值為6.82 V，深度為0.5 mm 裂紋的電壓幅值為0.81 V。2）采用300 kHz 頻率進行渦流檢測，在螺栓螺紋不規(guī)則情況下，能夠分辨0.5 mm 深度的裂紋。3）由于螺栓螺紋區(qū)螺紋有變形，導(dǎo)致檢測信號噪聲較大，最大噪聲為0.72 V，對于小于0.5 mm以下裂紋有影響。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的無損檢測難以滿足螺栓檢測對高效率、高可靠性的要求，通過對大型螺栓進行自動化渦流檢測試驗研究，實現(xiàn)對螺栓快速、準確的檢測，提高近表面缺陷有效檢出率，為螺栓螺母檢測技術(shù)和方向提供參考。