地腳螺栓相控陣柱面超聲導(dǎo)波換能器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

岳賢強(qiáng)，姜海波，高超，馬君鵬，李羽可

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008； 3.武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

地腳螺栓是電力輸電線路鐵塔的重要基礎(chǔ)部分，埋藏在混凝土基礎(chǔ)中。在長期服役過程中，地腳螺栓在各種腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕，造成受力截面減小，承載力下降，對(duì)輸電線路鐵塔安全穩(wěn)定性造成威脅，易發(fā)生倒塔事故[1-2]。

對(duì)于地腳螺栓等細(xì)長桿體，可以采用柱面超聲導(dǎo)波技術(shù)(cylindrically guided wave technique, CGWT)進(jìn)行缺陷檢測(cè)和腐蝕量測(cè)量[3-5]。超聲波在細(xì)長螺栓中傳播時(shí)聲束與側(cè)壁干涉發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，其反射回波信號(hào)包含了桿件的整體信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷及腐蝕缺失的檢測(cè)評(píng)估。CGWT技術(shù)最早用于螺栓、閥桿、泵軸等具有較大長徑比構(gòu)件的缺陷檢測(cè)和評(píng)估[6]。由于技術(shù)限制，此種方法存在一些不足，如螺紋反射回波的干擾、信噪比低、機(jī)械掃查困難、檢測(cè)效率低等。

相控陣作為無損檢測(cè)的熱門技術(shù)，可用于原材料、焊接接頭、連桿、螺栓等工件的快速檢測(cè)[7-8]。本文結(jié)合超聲柱導(dǎo)波和相控陣延時(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種適合地腳螺栓等大尺寸桿件無損檢測(cè)的相控陣超聲柱導(dǎo)波換能器，并制作換能器用于實(shí)際檢測(cè)，驗(yàn)證其可靠性，有效解決了地腳螺栓腐蝕缺陷檢測(cè)難題。

1 用于螺栓檢測(cè)的柱導(dǎo)波原理

波導(dǎo)原理可有效地應(yīng)用于細(xì)長圓柱體(如螺栓、雙頭螺桿、閥桿或泵軸)的超聲檢測(cè)。當(dāng)超聲束沿圓柱體軸向傳播時(shí)，由于縱波聲束與圓柱側(cè)壁發(fā)生掠射的交互作用引起系列的波型轉(zhuǎn)換，即縱波(L)掠射至螺栓側(cè)壁波型轉(zhuǎn)換成橫波(S)，橫波傳播至對(duì)面?zhèn)缺谵D(zhuǎn)換為掠射縱波(L-S-L)，在長度大于直徑的細(xì)長圓柱體中此種轉(zhuǎn)換可發(fā)生多次。這種波型轉(zhuǎn)換就是柱導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)螺栓中缺陷的物理基礎(chǔ)。

為了查明波型轉(zhuǎn)換(兩次轉(zhuǎn)換或三次轉(zhuǎn)換)信號(hào)的存在，轉(zhuǎn)換波的信號(hào)必須能與主反射脈沖分開。分開的程度與入射脈沖寬度及被檢圓柱波導(dǎo)的直徑有關(guān)。圖1所示是一個(gè)發(fā)生多重波型轉(zhuǎn)換的情況。第1個(gè)回波信號(hào)是來自螺栓另一端的底波，緊接著底波的信號(hào)是經(jīng)波形轉(zhuǎn)換后的拖尾脈沖信號(hào)。底波信號(hào)(直射縱波)與第1個(gè)拖尾脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔與螺栓的直徑有關(guān)，且拖尾信號(hào)之間的時(shí)間間隔均相等。

圖1 柱導(dǎo)波技術(shù)示意圖

底波信號(hào)為直射縱波反射信號(hào)(L)，第1個(gè)拖尾脈沖信號(hào)發(fā)生了一次縱波-橫波-縱波轉(zhuǎn)換(L-S-L)；第2個(gè)拖尾信號(hào)則完成了兩次波型轉(zhuǎn)換(L-S-L-S-L)。底波和第1個(gè)拖尾脈沖之間的時(shí)間間隔Δt是以橫波速度行進(jìn)距離S所需的時(shí)間減去以縱波速度行進(jìn)X所需的時(shí)間(圖2所示)，其時(shí)間差為

式中：d為螺栓直徑，mm；CS為鋼中橫波速度，m/s；CL為鋼中縱波速度，m/s。

圖2 直射縱波與經(jīng)波型轉(zhuǎn)換的拖尾信號(hào)之間的聲程差

2 換能器設(shè)計(jì)

2.1 換能器陣列形式

地腳螺栓超聲檢測(cè)聲源只能端面加載，不需要偏轉(zhuǎn)聲束及順次移動(dòng)陣列激勵(lì)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓全方位掃描。選擇的換能器陣列形式為一維平面圓形線陣，見圖3。條形陣元沿徑向均勻分布在內(nèi)徑為r和外徑為R的圓環(huán)面積上。該形式換能器具有以下特點(diǎn)：

圖3 一維平面圓形線陣

1) 發(fā)射的超聲縱波能夠與螺栓側(cè)壁形成很好的掠射關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)柱導(dǎo)波檢測(cè)；

2) 沿圓弧線順次移動(dòng)陣列激勵(lì)對(duì)螺栓實(shí)施循環(huán)電子掃描，探頭不需要機(jī)械移動(dòng)掃描，檢測(cè)效率高；

3) 陣列信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，檢測(cè)信噪比遠(yuǎn)高于單一探頭檢測(cè)。

2.2 換能器陣元個(gè)數(shù)

隨著相控陣陣元個(gè)數(shù)的增加，主瓣寬度Δθ減小，超聲波束的聚焦效果越好，圖像分辨力越高。取θ0=0°，λ=2d，經(jīng)計(jì)算得到陣元個(gè)數(shù)n與主瓣寬度Δθ的關(guān)系如圖4所示。主瓣寬度隨陣元個(gè)數(shù)的增加而減少，而且減少的趨勢(shì)越來越緩。陣元數(shù)在0～16之間主瓣寬度迅速變小；在陣元數(shù)達(dá)到16個(gè)以后，陣元的增加對(duì)減小主瓣寬度的作用不大。為保證換能器具有足夠發(fā)射能量和較高精度，得到更好的檢測(cè)效果，最終確定用64個(gè)陣元進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 陣元個(gè)數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系

2.3 換能器陣列幾何參數(shù)

為了達(dá)到最優(yōu)的檢測(cè)效果，不同尺寸的地腳螺栓應(yīng)選擇不同幾何參數(shù)的陣列。一般將圓形線陣的外半徑R設(shè)置為比待檢測(cè)地腳螺栓的公稱半徑小2mm。單個(gè)條形陣元的長度L即為圓形線陣的內(nèi)外徑之差。所以在確定圓形線陣的外徑以及條形陣元的長度后，即可得到圓形線陣的內(nèi)半徑r，即r=R-L，如圖5所示。

圖5 一維平面圓形線陣幾何模型

圓形線陣結(jié)構(gòu)中d為相鄰陣元的間距，a為條形陣元寬度，d和a的確定以中性圓半徑rc為基準(zhǔn)：rc=r+(R-r)/2。陣元寬度和陣元間距會(huì)影響波束指向性和旁瓣幅值，是影響換能器性能的重要指標(biāo)[9-10]，在設(shè)計(jì)和制作過程中要綜合考慮實(shí)用性、加工難度和經(jīng)濟(jì)性。

2.4 條形陣元長度和螺紋波抑制

在未擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，聲束不擴(kuò)散，近似垂直于晶片沿螺栓軸向傳播，不存在地腳螺栓的螺紋反射波。當(dāng)聲束開始擴(kuò)散時(shí)，若聲束垂直入射螺紋傾斜面，晶片會(huì)收到強(qiáng)烈的螺紋反射信號(hào)，降低信噪比。

圖6 條形陣元的長度計(jì)算示意圖

2.5 換能器陣元頻率選擇

換能器陣元頻率選擇對(duì)檢測(cè)缺陷的探測(cè)能力影響很大。一維圓形線陣頻率的選擇需要綜合考慮地腳螺栓的長度、直徑、材料特性以及降低陣列柵瓣等因素。線陣的頻率越高,圖像的分辨力越高，但頻率高會(huì)增加?xùn)虐甑臄?shù)量，不容易對(duì)其控制。輸電線路鐵塔的地腳螺栓長度一般≤2000mm，為避免頻率過高引起較大衰減，對(duì)于長度<1000mm的地腳螺栓推薦選用5 MHz的頻率，對(duì)于長度>1000mm的地腳螺栓推薦選用2.25MHz的頻率。

2.6 換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換能器的整體幾何尺寸按被檢測(cè)地腳螺栓的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。換能器的內(nèi)部構(gòu)成與傳統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)基本一致，設(shè)計(jì)上采取中空的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，見圖7所示。在保證換能器性能要求的基礎(chǔ)上盡可能地減輕換能器的質(zhì)量，方便使用，也減少了材料成本。

圖7 一維平面圓形線陣整體設(shè)計(jì)

3 應(yīng)用案例

3.1 輸電線路鐵塔地腳螺栓腐蝕檢測(cè)

針對(duì)某500kV輸電線路鐵塔φ46×1600mm地腳螺栓，采用2.25MHz12×42(頻率2.25MHz、64陣元、外徑42mm、內(nèi)徑12mm)規(guī)格一維圓形平面線陣換能器，配合定制的地腳螺栓腐蝕狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，該地腳螺栓在距離檢測(cè)端面600mm左右存在一處當(dāng)量6mm的腐蝕缺陷，如圖8所示。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出螺紋反射波得到了有效消除，缺陷反射信號(hào)明顯，信噪比高。缺陷位置距檢測(cè)端面594.9mm，與實(shí)際情況偏差不到1%，檢測(cè)精度很高。這得益于周向電子掃查，可以直接從檢測(cè)結(jié)果中得到缺陷的周向位置，A掃視圖中可以得到缺陷的相對(duì)當(dāng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地腳螺栓缺陷的精確定位和定量檢測(cè)。

圖8 地腳螺栓檢測(cè)結(jié)果

3.2 雙頭螺柱缺陷檢測(cè)

對(duì)規(guī)格為M30×420mm的雙頭螺柱進(jìn)行缺陷檢測(cè)，其兩端螺紋部分長100mm。采用5MHz8×26(頻率5MHz、64陣元、外徑26mm、內(nèi)徑8mm)規(guī)格的一維圓形平面線陣換能器，配合定制的地腳螺栓腐蝕狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，該螺栓距離探頭放置端面61mm處存在1mm線切割槽當(dāng)量裂紋，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，裂紋位于螺紋根部，從圖中可以看出裂紋信號(hào)明顯，且沒有螺紋信號(hào)。

圖9 雙頭螺柱檢測(cè)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種一維平面圓形線陣換能器，并應(yīng)用于地腳螺栓等細(xì)長桿體的缺陷檢測(cè)和腐蝕減薄評(píng)估。與傳統(tǒng)單一超聲縱波探頭檢測(cè)方法相比，該換能器在檢測(cè)地腳螺栓方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，由于采用沿圓弧線順次移動(dòng)陣列激勵(lì)對(duì)螺栓實(shí)施循環(huán)電子掃描，發(fā)射的超聲縱波能夠與螺栓側(cè)壁形成很好的掠射關(guān)系，可以有效避免螺紋反射回波的干擾，信噪比較高，缺陷回波明顯，缺陷的定量與定位精度較高，可以有效實(shí)現(xiàn)地腳螺栓等埋地錨桿體系的缺陷檢測(cè)。該換能器可用于軸銷、閥桿及泵軸等細(xì)長圓柱體工件的超聲無損檢測(cè)。