在役奧氏體不銹鋼螺栓的超聲相控陣檢測

康小偉，張雯雯,何仁洋，陳金忠

(1.中國特種設備檢測研究院， 北京 100029;2.北京科技大學， 北京 100083)

?

在役奧氏體不銹鋼螺栓的超聲相控陣檢測

康小偉1，張雯雯2,何仁洋1，陳金忠1

(1.中國特種設備檢測研究院， 北京 100029;2.北京科技大學， 北京 100083)

針對在役奧氏體不銹鋼螺栓可靠性檢測的需要，仿真分析了超聲相控陣在奧氏體不銹鋼螺栓中的聲場分布情況，觀察超聲相控陣聲場在奧氏體不銹鋼螺栓中的覆蓋范圍，并通過設定檢測工藝參數，仿真分析比較在役奧氏體不銹鋼螺栓在完好狀態和有缺陷時的聲場回波情況。在奧氏體不銹鋼螺栓相控陣聲場仿真計算的基礎上，討論分析不同脈沖重復頻率對檢測結果準確性的影響，并給出如何消除脈沖重復頻率產生的幻影回波偽缺陷信號的方法；最后結合仿真計算和脈沖重復頻率工藝優化方法，應用超聲相控陣方法成功檢測出含裂紋缺陷的在役奧氏體不銹鋼螺栓，驗證了在役奧氏體不銹鋼螺栓超聲相控陣檢測工藝的準確性。

超聲相控陣；奧氏體不銹鋼螺栓；無損檢測；裂紋

螺栓是工業裝備中的標準配件之一，在大型鋼架結構、橋梁固定結構、油井緊固結構等設備中廣泛應用。石化企業的設備中螺栓的使用量較大，各工藝裝置長期處于高溫高壓、周期振動等復雜環境,螺栓容易產生裂紋等缺陷;尤其是沿海地區的石化企業，所處的海鹽海霧等環境更會加速螺栓的失效。因此，石化企業對螺栓的安全性提出了更高的要求[1-2]。

常規檢測螺栓的方法是先將螺栓拆卸下來，再采用無損檢測方法對其進行檢測，目前這些方法主要有外觀觀測、磁粉檢測、著色檢測、普通超聲波檢測法等。雖然這些檢測方法對螺栓的表面裂紋靈敏度很高，但也有局限性,如磁粉檢測方法只適用于檢測鐵磁性材料的螺栓，不適用奧氏體不銹鋼螺栓的檢測；著色檢測對工件表面粗糙度要求較高，而且對環境有污染；常規超聲波檢測奧氏體不銹鋼螺栓時信噪比低，同時受到螺紋反射波的干擾，實際很難或基本無法檢出螺栓上的裂紋。而且,上述檢測方法都需要將設備停機,將螺栓拆卸下來再進行檢測[3-4]。

MOLES等利用相控陣對螺栓裂紋進行檢測，方法是將相控陣探頭安裝在螺栓頂端，機械化旋轉探頭，利用小角度縱波進行S掃描[5]。CIORAU等采用相控陣檢測螺栓的應力腐蝕裂紋，可檢測深度在21～63 mm[6]的螺栓。KITAZAWA等將相控陣三維圖像信號應用在螺栓檢測上，將探頭放置在螺栓頂端對螺栓進行成像處理，檢測螺栓內部缺陷[7]。MARTINEZ等使用相控陣表面波檢測螺栓頂端的張力和拉力[8]。

筆者針對在役奧氏體不銹鋼螺栓，通過超聲相控陣檢測技術的多探頭、多通道、波束聚焦等特點，首先仿真分析超聲相控陣在奧氏體不銹鋼螺栓中的聲場響應;然后通過試驗，驗證超聲相控陣技術檢測在役奧氏體不銹鋼螺栓裂紋的有效性。

圖1　相控陣系統波束偏轉和聚焦示意

1　相控陣檢測原理

超聲相控陣成像原理是通過控制陣列換能器中各個陣元的激勵與接收脈沖的時間延遲，從而改變各個陣元發射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控陣的波束合成，形成成像掃描[9-11]。

相控陣探頭是由許多獨立的晶片構成的，每個晶片都能被單獨激發。這些探頭由特殊的裝置驅動，能夠在每個通道獨立、同步地發射和接收信號。超聲相控陣的一個重要特性就是可以通過軟件來改變超聲波束的特性，另外掃查角度范圍、聚焦深度和焦點尺寸等也都能通過軟件控制[12-14]。因而在一定程度上克服了常規超聲由于聲束的方向性帶來的在缺陷檢出和定量上的局限性,其原理如圖1所示。

2　檢測工藝仿真

2.1檢測角度及聲場范圍

因在役奧氏體不銹鋼螺栓工況的限制，超聲相控陣檢測時需要把相控陣探頭放置在螺栓的兩端。為了確保探頭的聲場能全部覆蓋奧氏體不銹鋼螺栓，需要對相控陣的聲場波束設置一定的角度，但由于采用較大偏轉角度時檢測靈敏度會下降，定位精度會變差，故檢測中選用-35°～+35°的角度范圍進行掃描，掃描分辨力為0.5°。圖2是超聲相控陣檢測螺栓波束聚焦示意，從圖中可看出藍色區域為超聲相控陣檢測方法對螺栓的實際覆蓋范圍。

圖2　超聲相控陣檢測波束覆蓋示意

2.2仿真檢測參數設置

CIVA軟件仿真時檢測參數設置為:檢測頻率5 MHz,扇形掃描,角度步進0.5°,聚焦深度70 mm,5 MHz帶通濾波,檢測角度-35°～+35°,探頭位于螺栓端面中心,激發晶片數為1～10片。

2.3仿真結果聲場分布

建立M16奧氏體不銹鋼螺栓模型，在螺栓頂端加載相控陣探頭，分別對完好的奧氏體不銹鋼螺栓和帶有缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓進行聲場波束仿真，觀察分析兩種情況下超聲波相控陣的聲場波束響應。圖3所示為無缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓的相控陣檢測仿真結果。

圖3　無缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓相控陣檢測仿真結果

圖4　螺栓缺陷的相控陣檢測仿真結果

圖4所示是奧氏體不銹鋼螺栓螺牙處缺陷和螺栓本體內部缺陷的相控陣回波示意。從圖中可以明顯看出兩處缺陷的回波信號清晰可見，與完好的螺栓相控陣信號相比較，含缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓相控陣信號有明顯異常。由此說明，超聲相控陣對奧氏體不銹鋼螺栓有較好的聲場覆蓋，并且螺栓缺陷處聲場信號會有異常響應。

3　脈沖重復頻率對檢測結果的影響

由于螺栓相控陣檢測時聲場傳播深度較大，應在不影響成像刷新率的情況下盡量使用較低的脈沖重復頻率，否則易出現幻影回波，導致缺陷誤判。識別幻影回波時，可改變脈沖重復頻率，觀察圖像變化，若信號的位置及強度發生變化，且在脈沖重復頻率降低到一定程度后消失，則證明信號為幻影波。若信號在脈沖重復頻率修改后無明顯變化，則說明是缺陷回波。圖5所示為在同一試塊上，幻影回波的位置及強度隨脈沖重復頻率的改變而變化。

從圖5看出，當脈沖重復頻率為30,50,70 Hz時都會產生影像波，而當脈沖重復頻率為10 Hz時，影像波消失;而且不同的重復頻率時，螺栓中間產生的影像波的位置和強度都會產生變化。由此可判定脈沖重復頻率的設置會影響到檢測結果及偽缺陷信號的判斷。

圖5　不同脈沖重復頻率下幻影回波的變化示意

4　試驗過程和結果

參照以上仿真工藝參數和脈沖重復頻率的工藝設置，對現場的M12～M20的奧氏體不銹鋼螺栓進行相控陣檢測試驗。

4.1試驗用相控陣探頭

試驗用相控陣探頭規格參考仿真中的探頭參數，因是檢測M16小規格的螺栓，考慮探頭掃查面的覆蓋問題，同時又不減弱探頭聲場能量的前提下，探頭參數選用晶片數量為10個，頻率為5 MHz，單個晶片寬度為0.6 mm。檢測用奧氏體不銹鋼螺栓外觀如圖6所示。

圖6　檢測用奧氏體不銹鋼螺栓外觀

4.2試驗結果

現場應用中發現如圖7所示異常信號，為了辨別該信號是否為幻影回波造成的偽缺陷信號，對脈沖重復頻率進行了修改，修改后發現其回波不會變化，初步判斷該螺栓有異常。

圖7　異常信號示意

然后對有異常信號的螺栓進行了拆除，拆除后發現該螺栓中部有斷裂裂紋，由此判定了超聲相控陣檢測在役奧氏體不銹鋼螺栓的可行性。圖8所示是相控陣檢測在役奧氏體不銹鋼螺栓時檢測出的有缺陷螺栓。

圖8　相控陣檢測發現的開裂螺栓

5　結語

應用超聲相控陣檢測技術，仿真分析了超聲相控陣在奧氏體不銹鋼螺栓中的聲場分布情況，比較了在役奧氏體不銹鋼螺栓在完好狀態下和有缺陷時的聲場回波情況，分析了不同脈沖重復頻率對檢測結果準確性的影響。得出在采用超聲相控陣檢測在役奧氏體不銹鋼螺栓時，應盡量采用較小的脈沖重復頻率的結論。最后結合仿真計算和脈沖重復頻率工藝優化方法，應用超聲相控陣方法檢測出含裂紋缺陷的在役奧氏體不銹鋼螺栓，驗證了超聲相控陣技術檢測在役奧氏體不銹鋼螺栓的可行性。

[1]姚強, 朱忠華. 奧氏體不銹鋼螺栓的腐蝕及防護[J]. 石油化工腐蝕與防護, 2012, 29(4)：54-56.

[2]鄒龍江, 高路斯, 侯曉多. M12奧氏體奧氏體不銹鋼螺栓斷裂失效分析[J]. 金屬熱處理, 2011, 36(9)：165-168.

[3]KRAMBV A,OLDING R B,SEBASTIAN J R.Conciderations for phased array ultrasonics in a fully futomated inspertion system[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,2004,23：817-825.

[4]BEARD M D, LOWE M J S. Non-destructive testing of rock bolts using guided ultrasonic waves[J]. Internal Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2003, 40：527-536.

[5]MOLES M, GINZEL R. Phased arrays for detecting cracking in bolts[EB/OL]. [2008-05-20].http:∥www.ndt.net/search/docs.php3?MainSource=57.

[6]CIORAU P, CHARTIER C, MAIR K. A contribution of phased array ultrasonic technology to detection and sizing stress corrosion cracks[EB/OL]. [2008-10-05]. http:∥www.ndt.net/search/docs.php3?MainSource=25.

[7]KITAZAWA S, KONO N, BABA A, et al. Three-dimensional visualisation and evaluation techniques for volumetrically scanned data of ultrasonic phased arrays[J]. Insight, 2010, 52(4)：201-205.

[8]MARTINEZ J, SISMAN A, ONEN O, et al. A synthetic phased array surface acoustic wave sensor for quantifying bolt tension[J]. Sensors, 2012,12(9)：12265-12278.

[9]牟彥春, 朱曉智, 金南輝. 超聲相控陣檢測技術在電站鍋爐厚壁管道檢測中的應用[J]. 無損檢測, 2014, 36(6)：56-61.

[10]周正干, 彭地, 李洋, 等. 相控陣超聲檢測技術中的全聚焦成像算法及其校準研究[J]. 機械工程學報, 2013, 49(6)：89-95.

[11]CHATILLON S, ROUMILLY L D, PORRE J, et al. Simulation and data reconstruction for NDT phased array techniques[J]. Ultrasonics, 2006, 44：951-955.

[12]楊先明, 王海濤, 郭艷, 等. 超聲相控陣成像仿真系統研制[J]. 無損檢測, 2014, 36(5)：34-37.

[13]SATYANARAYAN L, MOHAN K V, KRISHNAMURTHY C V, et al. Finite difference time domain simulation of ultrasonic phased array sector scan for imaging cracks in large pipe, elbows, and tee sections[J]. Research in Nondestructive Evaluation, 2008, 19：61-86.

[14]錢盛杰, 郭偉燦. 換熱器管板角焊縫相控陣超聲聲場CIVA仿真和檢測[J]. 無損檢測, 2015, 37(1)：11-15.

Ultrasonic Phased Array Inspection of In-Service Austenitic Stainless Steel Bolts

KANG Xiao-wei1, ZHANG Wen-wen2, HE Ren-yang1, CHEN Jin-zhong1

(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China;2.University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The non-destructive testing of small sized (M12-M20) austenitic stainless steel bolts in use is always a technical problem. According to the reliability testing needs of stainless steel bolts in use, this paper analyzes sound field distribution of stainless steel bolts in ultrasonic phased array by simulation, observes its sound field coverage in ultrasonic phased array and sets inspection process parameters. Simulation analysis on and comparison of the sound field echo status of the in use stainless steel bolts in good and flawed condition, and based on the sound field calculation of stainless steel bolts phased array simulation, the paper also discusses and analyzes the effects of different pulse repetition frequency on the accuracy of detection results, and shows the method how to eliminate the false defection signal of phantom echo generated by pulse repetition frequency. Finally, by combining the process optimization method of simulating calculation and pulse repetition frequency, cracks of in service stainless steel bolts were successfully detected by applying ultrasonic phased array. It proved the accuracy of ultrasonic phased array inspection technology, which could provide technical support for future non-destructive testing of austenitic stainless steel bolts in use.

Ultrasonic phased array; Austenitic stainless steel bolt; Nondestructive testing; Crack

2015-10-18

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃資助項目(2014QK248)。

康小偉(1986-)，男，工程師，主要從事特種設備檢驗檢測技術研究工作。

康小偉,E-mail: kxw816@126.com。

10.11973/wsjc201607004

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0017-04