在役螺栓的相控陣檢測工藝

(天津誠信達金屬檢測技術有限公司,天津 300384)

螺栓廣泛應用于火電、風電等部件的連接上，在役使用過程中需承受復雜的應力、溫度等作用，容易出現斷裂或失效，其安全性越來越多地受到人們的重視[1-2]。如何在不拆卸螺栓的情況下，檢測出螺栓的疲勞裂紋始終是個難題。疲勞裂紋的檢測，理論上來說是可以使用常規超聲檢測方法的，但在役設備檢測空間有限，探頭可達性差，檢測靈敏度低，需要將設備停機，將螺栓卸下來再進行檢驗[3]。超聲相控陣技術和導波相控陣技術是無損檢測領域中的新技術，均可在不移動探頭的情況下實現較大角度范圍的掃查，能實現對缺陷的各種視圖成像，檢測結果直觀，便于對缺陷的識別與判定。并且這兩種技術具有良好的干擾可達性，能對幾何形狀復雜的工件進行檢測，可通過軟件控制，提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度。但導波相控陣和超聲相控陣技術在在役螺栓的應用上仍處于初級階段，沒有對應的檢測工藝方法。

筆者結合理論分析，分別研究了導波相控陣和超聲相控陣檢測螺栓的關鍵技術，制定了在役螺栓的檢測工藝和方案，實現了在役螺栓檢測的全覆蓋，解決了在役螺栓的檢測難題。

1 基本理論

超聲相控陣技術檢測原理為：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，來改變各個陣元發射(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。超聲相控陣技術可以通過軟件來控制波束的特性、掃查角度范圍、聚焦深度和焦點尺寸等，因而在很大程度上克服了常規超聲方法由于聲束的方向性帶來的的檢測局限性。

導波相控陣技術檢測原理為：超聲波在鋼桿中實際上是以導波的形式傳播的,即超聲柱面導波，而在波導介質中傳播的超聲導波信號會包含全部的結構和缺陷信息,可用于細小缺陷的檢測。利用導波的這種特性來檢測材料結構的新技術具有更快捷、更靈敏、更經濟的特點,是無損檢測領域中一個新發展起來的重要方向。超聲導波相控陣檢測技術具有靈敏度高、探測距離長、能量流均勻分布、聲波衰減少等特點[4]。

2 工藝試驗及結果分析

2.1 螺栓試樣

按NB/T 47020-2012《壓力容器法蘭分類技術條件》規定，根據試驗所需選用無內部缺陷的螺栓試樣，在該試樣上加工人工缺陷，人工缺陷為不同深度的刻槽，選擇的螺栓試樣尺寸如圖1所示。

圖1 螺栓LS-1試樣尺寸

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[5]，螺栓材料為45Cr1MoV，人工刻槽的具體參數如表1所示。

表1 螺栓試樣上人工刻槽的參數 mm

2.2 導波相控陣檢測螺栓

選擇環形線陣探頭，探頭具體參數如下：頻率為5 MHz，共64個陣元，晶片間距為0.6 mm，角度范圍為-0.2°～0.2°。

檢測時，將環形探頭放置在螺栓試樣LS-1的B側端面上，將A側端面回波波幅調到A掃顯示滿幅波高的100%，并以其作為掃查靈敏度，保持探頭穩定，檢測操作示意與螺栓實物如圖2所示。

圖2 螺栓LS-1的檢測示意與螺栓實物圖片

調整儀器參數進行檢測，得到檢測結果后，綜合分析B掃、C掃、A掃及立體圖，能夠清晰發現人工刻槽信號，如圖3所示。

從圖3中可知，A側相同尺寸不同深度處人工刻槽信號在B掃圖上能夠清晰顯示，信號沿著深度方向分布，具有很高的信噪比。聲像顏色的深淺反映了波幅的大小，與A掃顯示相對應。通過濾波技術，人工刻槽信號在螺栓立體圖上可以更好地顯示出來。B側相同尺寸不同深度處人工刻槽在B掃圖上能夠顯示，但信噪比很低，存在盲區，較難從B掃圖和立體圖上區分開來。

對比圖3(a)，(b)可知，B側人工刻槽需降低增益來提高信噪比,但這樣會使得人工刻槽信號波幅降低，不同刻槽之間的分辨力較低。A側人工刻槽無論在B掃圖還是立體圖上都能清晰顯示，具有很高的信噪比，這是由于導波相控陣檢測時聲束能量均勻分布，聲波衰減小，有利于遠距離缺陷的檢測。但是導波相控陣檢測靠近探頭端的螺栓螺紋時，缺陷信號受螺紋信號的影響，可能會湮沒在雜波信號中。

分別對不同人工刻槽信號進行測量，結果如表2所示。由表2可見，缺陷1#～6#的信號波幅在A掃滿屏的20.8%～35.7%范圍內，缺陷8#～11#的信號波幅在A掃滿屏的51.8%～59.2%范圍內，由此可知，導波相控陣聲束能量均勻，聲波衰減小。對比表1和表2所示的人工刻槽位置可知，所測缺陷信號位置與人工刻槽位置吻合。

表2 螺栓LS-1上不同人工刻槽的信號數據

2.3 超聲相控陣檢測螺栓

超聲相控陣檢測儀選用Phascan超聲相控陣便攜式檢測儀，考慮到螺栓在役檢測的具體要求，采用直探頭進行端面小范圍縱波扇掃檢測，如圖4所示。檢測時，選擇一維線性陣列探頭，探頭參數如下：頻率為5 MHz，共32陣元，陣元間距為0.6 mm，最大探頭孔徑可達16 mm。掃描參數設置如下：激發陣元數為16；扇掃起始角度為-30°～+30°;扇掃角度步進為0.5°。

圖4 螺栓的超聲相控陣檢測

使用LS-1螺栓試樣上距B側端面不同深度處的1 mm刻槽缺陷，與同一尺寸人工缺陷在不同檢測深度的聲像特征進行比較，人工刻槽位置在螺栓的20,36,55,74,93 mm處。

將距螺栓B側端面93 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，對螺栓端面進行環向掃查，以找出不同深度刻槽反射波最高時的檢測位置，再將最高反射回波調整到滿屏91%進行測量，圖5為4個槽深1 mm的人工缺陷在不同檢測深度的最高回波，其中距螺栓B側端面20 mm處的人工缺陷未能發現。

圖5 不同深度處相同尺寸刻槽的聲像特征比較

從圖5可明顯發現，在扇形掃描圖的閘門線位置處有一異常回波信號，可認定這是一個刻槽人工缺陷造成的異常回波。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。

由圖5分析可知，在相同增益的條件下，不同深度、同一當量大小反射體的反射能量是不同的，深的缺陷反射能量弱，遠距離的缺陷容易漏檢。距螺栓B側端面20 mm處的刻槽未被發現，這表明相控陣檢測時存在盲區。距螺栓B側端面36 mm處的刻槽反射回波幅度較低，這是由于信號受到菲涅耳區的影響，發生了干涉相消而造成反射回波幅度的降低。

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，得到的結果如圖6所示。除了36 mm處刻槽受到菲涅耳區的影響外，其他深度刻槽的回波幅度隨著深度的增加逐漸降低，這是因為聲束在螺栓內部傳播時發生了散射、畸變等而造成聲能的減少。人工刻槽回波的信噪比隨著檢測深度的增加逐漸升高，這是由于隨著檢測深度的增加，螺紋回波信號的衰減比人工刻槽反射回波信號的衰減嚴重得多，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回波的信噪比越低，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。這可通過定制特殊探頭楔塊，使菲涅耳區限制于探頭楔塊內，來消除干涉對反射回波的影響。

圖6 不同深度處相同尺寸刻槽回波的幅度與信噪比

3 結語

超聲相控陣技術和導波相控陣技術作為螺栓檢測的新技術，大大降低了螺栓失效的隱患，保證了機組順利運行，值得推廣和應用。與傳統超聲檢測技術相比，相控陣技術不僅可以解決在役螺栓檢測的難題，還在靈敏度、信噪比和缺陷識別方面有很大的優勢。但是，隨著檢測深度的增加，超聲相控陣波束能量衰減嚴重，靈敏度和信噪比會急劇下降，這對于檢測螺栓對側是不利的，因此采用超聲相控陣技術只檢測螺栓本側，若要檢測螺栓對側，需要驗證靈敏度和信噪比是否達到標準要求。而導波相控陣聲束具有能量流分布均勻，聲束衰減小等特點，易于發現遠距離處缺陷，可以與超聲相控陣技術互補，實現螺栓對側的檢測。

超聲相控陣和導波相控陣兩種技術結合使用，可以實現螺栓的檢測全覆蓋，在不拆卸螺栓的前提下，通過螺栓一個端面的檢測就能完成整條螺栓的檢測，不僅提高了檢測質量，還大大提高了工作效率，降低了成本。