高溫緊固螺栓相控陣檢測技術

張 洋，柴麗文，于 達，李 輝

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384）

目前采用常規超聲波檢測螺栓技術應用較成熟，盡管可有效檢出≥1 mm 槽深當量的裂紋，但也存在很多問題[1]。受螺栓結構和齒面產生的變形波、干擾波影響，常規超聲檢測信噪比低[2-7]。疲勞裂紋走向復雜，而縱波直探頭聲束單一，易漏檢。在役設備檢測空間有限，探頭可達性差，檢測靈敏度低。

超聲相控陣檢測技術相比于常規超聲波檢測技術，有其獨特的特點，能夠控制聲束掃查、聚焦和偏轉，能夠在不移動探頭的情況下實現較大角度范圍的掃查?？梢詫崿F對缺陷的各種視圖成像，檢測結果直觀，便于對缺陷進行識別與判定。圖像顯示優于波形顯示，易于分辨結構產生的波形，能夠對復雜幾何形狀工件進行檢測。通過控制焦點尺寸、焦點深度和聲束方向，提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能[8]。

本研究針對有中心孔和檢測面有頂針孔的高溫緊固螺栓，采用相控陣縱波端面檢測和相控陣橫波檢測兩種方法，研究了掃查方法、檢測能力、靈敏度、信噪比等影響檢測工藝的主要因素，重點分析了模擬裂紋大小、檢測深度、檢測位置對檢測結果的影響，可為制定合理的檢測工藝提供借鑒。

1 螺栓試樣

螺栓試樣按NB/T 47027 —2012 《壓力容器法蘭用緊固件》 標準規定，選擇內部無缺陷的螺栓進行試驗，在該螺栓上加工不同深度的人工刻槽，用人工刻槽來模擬裂紋[6]。選擇帶中心孔和檢測面有頂針孔的螺栓試樣，尺寸如圖1 所示。

圖1 螺栓試樣尺寸示意圖 （單位：mm）

人工刻槽均垂直于螺栓軸線，長度均為10 mm，開口寬度均為 0.25 mm，螺栓 LS-1 材質為45Cr1MoV，螺栓LS-2 材質為2Cr11Mo1Ni-WVNbN，具體人工刻槽特征見表1。

表1 螺栓試樣及人工刻槽位置

2 相控陣縱波端面檢測螺栓

2.1 相控陣儀器、探頭選擇

選用Phascan （32/64）超聲相控陣便攜式檢測儀，考慮采用探頭放在端面，小范圍縱波扇掃檢測，選擇一維線性陣列探頭，具體參數為：頻率 5 MHz，共 32 個陣元，陣元間距為 0.6 mm，最大探頭孔徑可達32 mm×0.6 mm×10 mm。激發陣元數為 32，扇掃角度選擇-30°～+30°，扇掃角度步進 0.5°。

2.2 試驗過程及結果分析

2.2.1 超聲相控陣扇掃檢測螺栓

選用帶有中心孔的螺栓LS-1 進行檢測，探頭放置在螺栓平整的端面，避開中心孔，環繞掃查，聲束軸向射入螺栓內部，從而實現對螺栓的整體檢測，可得到清晰的螺栓扇掃圖像，如圖2所示。

圖2 LS-1 螺栓超聲相控陣縱波檢測扇掃圖

由圖2 可知，超聲相控陣利用聚焦和偏轉特性，將各個角度的反射波通過扇掃圖清晰顯示出來。當無缺陷時，螺紋信號穩定清晰、間隔均勻，沿著深度方向能量逐漸降低，圖像顏色也隨之變淺。當螺栓中存在裂紋時，均勻的螺栓信號將被破壞，間隔中出現異常裂紋信號，與其相鄰螺栓信號存在顏色突變，信號幅度與裂紋深度相關。

2.2.2 模擬裂紋大小對圖像的影響

為定量研究不同大小模擬裂紋的圖像特點，試驗選用螺栓試樣LS-1，選用距螺栓A 側端面130 mm 處的 0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm深的刻槽來研究同一檢測深度不同大小模擬裂紋的圖像特征。

將距螺栓A 側端面130 mm 處1.0 mm 深的刻槽反射回波調整到滿屏80%作為基準靈敏度，再增益6 dB 作為檢測靈敏度。分別對0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 深的刻槽進行掃查，如圖3 所示。

從圖3 可以發現，在扇形掃描圖上有一異常信號與其相鄰螺紋信號存在色差，對應于右側A 掃波形圖中的異常反射回波，從位置上可以認定其為人工刻槽造成的異?；夭?。從圖上可以直觀地分析出哪個掃查角度的反射波最高和距螺栓端面的位置，以及由右側A 掃圖進行定量分析。

由圖3 可見，在當前檢測系統的靈敏度水平下，距螺栓端面 130 mm 處的 0.5 mm 刻槽可以被發現，即相控陣超聲檢測螺栓可有效發現0.5 mm 槽深當量的裂紋，靈敏度和信噪比都比較高。對不同尺寸刻槽當量回波幅度和信噪比進行比較分析，如圖4 所示。

圖3 同一檢測深度不同尺寸刻槽扇掃圖比較

圖4 不同尺寸刻槽回波幅度與信噪比關系

由圖4 可知，同一檢測深度，在相同檢測靈敏度下，人工刻槽尺寸越大，回波幅度越大，信噪比也越大，缺陷圖像的顏色也越深。

2.2.3 檢測深度對圖像、靈敏度及信噪比的影響

試驗使用螺栓試樣LS-1 上距A 側端面不同深度處1 mm 刻槽，人工刻槽位置在螺栓的35 mm、50 mm、70 mm、110 mm、130 mm 處。

將距螺栓 A 側端面 130 mm 處 1.0 mm 深的刻槽反射回波調整到滿屏80%作為基準靈敏度，再增益6 dB 作為檢測靈敏度，對螺栓端面掃查，以找出不同深度刻槽的最高反射波。圖5為4 個槽深1.0 mm 的人工刻槽在不同檢測深度的最高回波，其中35 mm 處的人工刻槽未能發現。

圖5 不同深度處相同尺寸刻槽扇掃圖比較

由圖5 分析可知，4 處異常信號在扇掃圖上顯示清晰，與螺栓上的刻槽位置相符，可以直觀分析出缺陷在哪個掃查角度的反射波最高。在相同增益條件下，不同深度、相同尺寸刻槽的反射能量是不同的，深的刻槽反射能量弱，遠距離的刻槽容易漏檢。35 mm 處刻槽未被發現，這表明相控陣檢測螺栓存在盲區。50 mm 處刻槽的反射回波比較低，這是由于受菲涅耳區影響，干涉相消造成反射回波較低。

圖6 不同檢測深度、相同尺寸刻槽回波幅度與信噪比關系

分別對不同檢測深度、相同尺寸的人工刻槽進行了最高回波幅度和信噪比的測量，如圖6 所示。除了50 mm 處刻槽受到菲涅耳區的影響外，回波幅度隨著深度的增加逐漸降低，這是由于聲束在螺栓內部傳播時發生散射、畸變等因素造成聲能的減少。人工刻槽的信噪比隨著檢測深度的增加逐漸升高，這是由于螺紋回波逐漸降低，遠低于人工刻槽的反射回波，這對于發現遠距離缺陷是有利的。同時，距離螺栓端面越近的人工刻槽信噪比越低，再加上菲涅耳區對超聲波信號的干擾，會使得缺陷信號湮沒在雜波信號中。

2.2.4 檢測位置對圖像的影響

試驗使用試樣LS-2 上距A 側端面不同深度處1 mm 的人工刻槽，刻槽深度在螺栓的35 mm、75 mm 處，兩處人工刻槽相隔180°分布。

該螺栓試樣有頂針孔，應避開掃查，檢測位置選擇刻槽上方1/2 半徑處，如圖7 所示。

由圖7 可知，當探頭在位置 1 時，35 mm 的人工刻槽未在聲束范圍內； 當探頭在位置2 時，兩處人工刻槽都在聲束范圍內。具體試驗結果如圖8 和圖9 所示。

圖7 檢測位置示意圖

圖8 當探頭在位置1 時不同刻槽扇掃圖

圖9 當探頭在位置2 時不同刻槽扇掃圖

由圖8 可知，75 mm 處的人工刻槽可以清楚顯示，35 mm 處的人工刻槽不在聲束角度范圍內，因而無法顯示。圖中扇掃圖左側螺紋圖像只能顯示靠近探頭的螺栓上部螺紋，螺栓下部螺紋信號隨著深度增加而顯示不清或無法顯示。這是由于探頭位置偏邊緣，螺栓上部螺紋能被較大角度聲束覆蓋，螺紋反射面大，螺紋圖像顯示清晰； 螺栓下部螺紋被小角度聲束覆蓋，螺紋反射面小，螺紋圖像不清。扇掃圖右側螺紋圖像只能顯示螺栓下部螺紋，螺栓上部未被聲束覆蓋，不能檢測。螺栓下部被較大角度聲束覆蓋，螺紋反射面大，螺紋圖像清晰。

由圖9 可知，兩處人工刻槽都可以明顯顯示出來，35 mm 處人工刻槽顯示清晰，75 mm 處人工刻槽顯示不清晰。大角度聲束對螺栓下端部分的螺紋成像比小角度聲束的反射能量、信噪比都要高很多，顯示也更清晰。但對比圖8 和圖9 可知，75 mm 處的人工刻槽在不同檢測位置，反射能量差異很大。當探頭在位置1 時，75 mm 處人工刻槽清晰顯示，在掃查角度7°時A 掃波幅最高。當探頭在位置2 時，75 mm 處人工刻槽顯示不清，在掃查角度22°時A 掃波幅最高。這是由于人工刻槽均垂直于螺栓軸線，小角度聲束可以更好的發現這些人工刻槽。

由以上分析可知，同一缺陷可以在不同檢測位置檢測到，但得到的波高 （或信號顏色）是不同的，需要根據缺陷特征來選擇合理的檢測位置。為確保缺陷定量合理可靠，用來評定的缺陷回波必須是最高反射回波，需參考A 掃顯示。

3 相控陣橫波端面檢測螺栓

當螺栓端面無法放置縱波直探頭或需對螺栓中心孔內壁檢測時，可以選用相控陣探頭對螺栓進行橫波檢測。試驗選擇一維線性陣列探頭，參數如下：頻率為 2.5 MHz，共 16 陣元，陣元間距0.6 mm，最大探頭孔徑可達16 mm×0.6 mm×10 mm。掃描參數設置：激發陣元數 16，扇掃角度 35°～70°，扇掃步進 0.5°，探頭楔塊形狀與螺栓表面曲率相匹配。

3.1 相控陣橫波檢測帶中心孔的螺栓

將相控陣探頭置于螺栓的光桿部位，選擇螺栓LS-1 的B 側下端部分為檢測區，前后移動探頭，找到檢測區的螺紋反射波。一般應出現10 個左右螺紋波，且無明顯雜波，然后將第一絲扣螺紋最大反射波調到A 掃顯示滿幅波高的60%，提高3 dB 作為基準靈敏度，再增益6dB 作為檢測靈敏度。沿外圓周向及前后移動，繞螺栓掃查一周，如圖10 所示。

由圖10 可知，在扇形掃面圖的閘門線位置處有兩個異?；夭ㄐ盘枺烧J定這是兩個刻槽造成的異常回波。從位置上分析，其與螺栓上的刻槽位置相符，同時可以直觀分析出缺陷在哪個掃查角度的反射波最高。從扇掃圖上色差分布可知，螺栓存在裂紋時，均勻的螺紋信號被破壞，間隔中出現異常信號與其相鄰螺紋信號存在色差。這是由于人工刻槽的存在，其后鄰近的第1個螺紋反射波被遮擋，刻槽較大時，鄰近幾個螺紋波也將被遮擋。

圖10 橫波檢測螺栓LS-1 扇掃圖

3.2 相控陣橫波檢測無中心孔的螺栓

將相控陣探頭置于螺栓的光桿部位，選擇螺栓LS-2 的A 側下端部分為檢測區，前后移動探頭，找到檢測區的螺紋反射波。一般應出現10 個左右螺紋波，且無明顯雜波，然后將第一絲扣螺紋最大反射波調到A 掃顯示滿幅波高的60%，提高3 dB 作為基準靈敏度，再增益6 dB 作為檢測靈敏度。沿外圓周向及前后移動，繞螺栓掃查一周，如圖11 所示。

圖11 75 mm 處刻槽扇掃圖

由圖11 可知，在扇形掃描圖的閘門線位置處有一個異常回波信號，可認定這是一個刻槽人工缺陷造成的異?；夭āＴ摦惓；夭ㄠ徑? 個螺紋信號回波能量很低，第2 個、第3 個螺紋信號回波能量都有一定程度降低，這是由于人工刻槽的遮擋造成的。對人工刻槽鄰近6 個螺紋回波幅度和螺紋信號間隔進行了測量分析，如圖12所示。

圖12 螺紋信號波幅與間隔數據圖

從圖12 中可知，人工刻槽鄰近的第1 個螺紋信號幅度急劇降低，其后的螺紋信號幅度也受到影響，到第5 個螺紋信號恢復正常，我們可以由螺紋信號的變化來確定異常信號。螺紋信號之間的水平間隔保持在4 mm 左右，這和螺栓上螺紋間隔是相吻合的。因此，相控陣橫波檢測螺栓無論是在定量還是定位上，都能滿足標準和靈敏度的要求，可以很好的發現缺陷。

4 結 論

通過相控陣縱波端面檢測螺栓試驗，發現影響檢測結果的因素很多，需考慮以下方面：

（1）相控陣檢測螺栓可實現較大角度范圍的掃查，扇掃成像清晰直觀，便于對缺陷進行識別和判定。

（2）通過試驗表明，相控陣檢測螺栓可有效發現0.5 mm 槽深當量的裂紋，靈敏度和信噪比都很高。同一檢測深度下，裂紋的回波幅度和信噪比與當量大小相關。

（3）相控陣檢測螺栓存在盲區，檢測不到靠近螺栓端面的部分。聲束在螺栓內部傳播時發生散射、畸變等因素造成聲能減少，螺紋信號和缺陷信號回波幅度隨著檢測深度增加而降低。由于螺紋信號逐漸減低，遠低于缺陷信號的反射回波，因此缺陷信號的信噪比隨著檢測深度增加反而升高，這對于發現遠距離缺陷是有利的。同時，螺栓上部的缺陷信噪比比較低，再加上菲涅耳區對信號的干擾，會使缺陷信號淹沒在雜波信號中。

（4）通過試驗可知，探頭的掃查位置影響著聲束在螺栓內的分布，聲束的角度和螺栓螺牙的角度影響著螺紋信號的強弱。相同檢測深度，大角度聲束對螺栓下端部分的螺紋成像比小角度聲束的反射能量、信噪比都要高很多。但試驗中小角度聲束可以更好發現這些人工刻槽，這是由于人工刻槽均垂直于螺栓軸線。同一缺陷可以在不同檢測位置檢測到，但靈敏度和信噪比是不同的，需要綜合考慮缺陷特征來選擇合適的檢測位置。

（5）為了提高定量精度，必須結合螺栓結構特點，進行有針對的掃查。檢測有中心孔或頂針孔的螺栓端面時，可采用環向掃查等方式，發現缺陷并找到其最高回波。

相控陣橫波檢測螺栓通過異常信號與其相鄰螺紋信號的比較來進行定位和定量，都能滿足標準和靈敏度的要求。

本研究通過上述試驗驗證了超聲相控陣技術檢測高溫螺栓的可行性。超聲相控陣作為螺栓檢測方面的新技術，在靈敏度、信噪比和缺陷識別方面都有很大的優勢，可大大提高微小裂紋的檢出率，結果穩定可靠，值得推廣和應用。