港口機械在役螺栓的相控陣超聲檢測

(上海振華重工集團(南通)傳動機械有限公司, 南通 226017)

港口機械(以下簡稱港機)的主體架構是由許多鋼結構件、傳動機構拼裝而成的，各結構之間通常采用焊接連接或螺栓連接。螺栓連接是一種結構簡單、連接牢靠、拆裝方便的拼接方式，所以在港機產品中的使用極為廣泛。港機產品中主要使用高強度六角螺栓連接緊固，這些長期服役的螺栓除了承受復雜的應力作用外，還要承受冷熱潮濕、海鹽侵蝕等自然界的破壞，容易產生疲勞裂紋而斷裂。港機螺栓的失效斷裂形式主要有兩種：螺紋根部裂紋,螺頭R角裂紋。

螺栓一旦發生疲勞斷裂，輕者會致使設備中斷生產或效率降低，重者會引發安全責任事故，因此定期對在役螺栓實施檢測尤為重要。以往對在役螺栓的檢測，通常的做法是將螺栓拆卸下來，再進行熒光磁粉檢測。但是港機產品的垂直高度一般在20～80 m，且螺栓分布范圍廣，故這種情況下工作量大，拆卸困難，且檢測周期長、效率低。

針對港機在役螺栓出現的螺紋根部裂紋、螺頭R角裂紋等缺陷，在不拆卸螺栓的情況下，筆者采用相控陣超聲技術在螺栓的兩端面實施檢測，利用扇形掃描技術實現了聲場對螺栓的全部覆蓋，同時結合聲束聚焦、波形成像等技術，較好地檢測出了在役螺栓缺陷。

1 相控陣超聲檢測技術

1.1 相控陣超聲檢測技術原理

相控陣超聲檢測技術原理是：換能器(探頭)由多個獨立壓電晶片組成，并按一定規則排列；檢測時由計算機軟件控制各晶片的激勵時間，通過預先設定的延遲時間逐次激發各個晶片，從而控制各晶片發射(或接收)聲波到達物體內某點的相位關系，實現聲束的聚焦、偏轉、合成等，從而獲得超聲成像掃描結果[1]。

1.2 螺栓的相控陣超聲檢測特點

螺栓是一種細棒形零件，采用常規超聲方法檢測時，螺紋結構、側壁對聲波的反射會產生干擾波和變形波，從而影響缺陷波的識別，且縱波直探頭角度單一，容易造成漏檢[2]。

相控陣超聲成像檢測技術可利用扇形聲束掃描確保聲場對螺栓的全部覆蓋，采用多角度掃查更利于發現缺陷，還能通過改變聚焦深度提高檢測區域的分辨力及信噪比，并且通過圖像顯示和波形顯示相結合的方式，能更好地辨別缺陷波和干擾波。

1.3 檢測儀器、探頭及參數設置

試驗設備采用OmniScan MX2相控陣儀器。探頭選用5L32一維線性陣列探頭，其間距為0.6 mm，晶片高度為10 mm。參數設置如下：采用縱波扇形掃描，扇形角度范圍和激發晶片的數量可根據螺栓規格調整，角度步進為0.5°，掃描布局為A+S(一組或多組)。作為初始掃查，可將聚焦深度設置在易出現裂紋的螺紋區域，當某個部位出現缺陷反射波時，再將聚焦深度調整于缺陷所在位置。

1.4 探頭零點、聲速及靈敏度校準

校準試塊采用與被檢件材料相同的螺栓加工而成，推薦尺寸(直徑×長度)為30 mm×100 mm。探頭從端面入射，在A掃顯示中找到長度100 mm底面的第一次和第二次最高反射回波,來調整探頭零點及聲速。

靈敏度調整可采用與螺栓材料相同的φ1 mm平底孔試塊進行，再增加4～16 dB作為初始掃查靈敏度；亦可采用螺紋面反射波法或底波調節法。

1.5 探頭位置及掃查方式

通常將探頭放置在螺栓的兩個端面上實施檢測(見圖1)。初始掃查時，探頭沿徑向前后移動的同時，也進行旋轉掃查。

2 缺陷的判定與分析

2.1 螺紋根部裂紋的判定與分析

以檢測M30×139 mm(直徑×長度,下同)六角螺栓為例，當聲束入射到無缺陷的螺栓時，由于螺栓結構特點，反射回波及影像較為復雜，可一一判定其特性，如圖2所示。螺紋的反射波就像是許多個端角形成的反射波，在S顯示中較為清晰、排列規則整齊，反射波波幅隨著聲程的增加逐漸降低，影像從上而下、由深到淺、各自獨立。將角度光標對準螺紋反射波影像，由于在A掃描顯示中只能顯示一個角度聲束，可見各反射波的組合猶如一座“山丘”，相鄰反射波波幅相差較小。旋轉探頭時，螺紋面的反射波影像和波形只是隨著螺紋的旋向在聲程上發生變化，反射波的排列規則不會被打亂。干擾波、底波顯示位置固定，定點旋轉探頭時，其波形影像相同。

圖2 無缺陷螺栓的反射波和影像

圖3所示為在役檢測時發現裂紋的螺栓外觀，其規格為M30×139 mm。探頭在位置1處進行檢測，聲束從螺栓頭部入射至螺紋根部裂紋處，得到的反射波形和影像如圖4所示。由圖4可見，由于齒根裂紋的產生增加了端角反射面積，缺陷的反射回波幅度高于螺紋反射波的[3]，將A顯示中“山丘”狀排列的螺紋波破壞；在S顯示中，裂紋圖像顏色深于螺紋反射波的，裂紋波介于兩牙的反射波之間。利用光標定位，缺陷深度顯示為85 mm。

圖3 含齒根裂紋的M30×139 mm螺栓

圖4 螺紋根部裂紋反射波形和影像(位置1)

圖5 螺紋根部裂紋反射波形和影像(位置2)

將探頭擺放在位置2處進行檢測，聲束從螺栓底部入射到根部裂紋處，得到的反射波形和影像如圖5所示。由圖5可見，在A顯示中，裂紋波波幅較大，波形尖銳陡直；在S顯示中，裂紋之后的螺紋反射面被裂紋遮蓋，螺紋影像消失或減弱；無裂紋側的螺紋波影像則顯示完整、各自獨立。利用光標定位，裂紋深度顯示為54 mm，與位置1處的檢測深度重合。

2.2 螺頭R角裂紋的判定與分析

以M27×137 mm六角螺栓為例，將探頭放置在位置1處對其進行檢測，前后徑向移動探頭，利用扇形聲束的特點，將兩側R角反射波同時顯示在S顯示中。螺栓經機加工制成，R角圓弧反射面光滑，旋轉探頭檢測時，無缺陷的R角反射波波形和影像相同，如圖6所示。在其A顯示中，R角反射回波竄動較小，波峰單一，深度顯示固定。利用光標定位，R角顯示深度為17 mm。

圖6 S顯示中無缺陷的R角反射波影像

圖7 含R角裂紋的M27×137 mm螺栓

圖8 S顯示中R角裂紋反射波影像

圖7所示為含R角裂紋的螺栓外觀，其規格為M27×137 mm。聲束從螺頭入射至R角及裂紋處，其S顯示中R角裂紋反射波影像如圖8所示。可見，圖8中合格R角影像與圖6中的影像基本相同，而裂紋的產生增大了R角區域的反射面積，形成了更有利于探頭接收的反射回波，且裂紋表面一般較毛糙，所以裂紋波形影像發生明顯畸變，經光標定位得到裂紋深度為18.5 mm。在A顯示中裂紋波形呈多峰狀，旋轉探頭時回波竄動較大。

將探頭放置在位置2處進行檢測，聲束入射到無缺陷R角區域時，螺栓自身的結構特點使得R角反射回波無法形成，如圖9(a)所示，可見S顯示中合格R角處無反射影像；當R角存在裂紋后，斜聲束入射到缺陷處，裂紋與螺桿在結構上形成了有利于探頭接收反射回波的端角，R角區域有缺陷反射回波影像，如9(b)所示，缺陷深度顯示為118.5 mm。對其進行兩頭檢測后，得到的裂紋深度位置重合。

圖9 R角無缺陷影像和有缺陷影像對比

3 結語

螺栓是經機加工而成的標準件，同種規格的螺栓直徑、導程角、螺距等尺寸參數都相同。在役檢測前，可對同規格的無缺陷螺栓進行數據采集和分析，用于在役檢測時的輔助對比，可提升檢測速度，避免發生誤判、漏判。檢測過程中，通過徑向移動和定點旋轉探頭，并結合多角度聲束檢測，使得裂紋處形成更利于探頭接收的反射回波。檢測后，通過觀察A掃描波形及S顯示圖像，可對缺陷的回波及影像特點進行綜合判定與分析。試驗結果表明，利用相控陣超聲檢測技術，定期對港機在役螺栓實施檢測，對發現安全隱患和提高檢測效率有較大的幫助。