全聚焦超聲技術在螺栓檢測上的仿真研究及應用

顧燕文

摘 要：螺栓作為連接部件在工業領域大量使用，螺栓的安全可靠直接關系到設備的安全可靠運行。螺栓無損檢測作為預防運行螺栓斷裂失效的有效手段，具有廣闊地應用場景。全聚焦超聲技術是近年來興起的一種新的超聲檢測方案，其在缺陷檢測分辨力、檢測近表面盲區等方面相對傳統的脈沖反射法超聲有明顯的優勢。本文主要通過CIVA仿真，對全聚焦超聲檢測技術在螺栓無損檢測上的應用進行初步可行性研究。

關鍵詞：全聚焦;CIVA;螺栓

1、引言

螺栓作為工業現場中最為常用的連接部件，現今廣泛使用于船舶輪機、航空航天、化工設備、橋梁建設、電力能源等領域的大量主要設備中。螺栓在運行中，主要存在腐蝕、裂紋和氫脆等失效斷裂，螺栓一旦在運行中出現突然斷裂失效，極有可能造成無法挽回的損失和災難性后果。螺栓的檢測主要致力于發現螺栓運行過程中產生的裂紋等缺陷，提前消除缺陷擴展造成螺栓斷裂失效等風險。

現今常用的螺栓檢測方法主要有螺栓超聲檢測法和螺栓磁粉檢測法。其中，磁粉檢測需要將螺栓完全解體，并清理干凈螺栓表面的污垢（熒光磁粉還需搭設暗室）后才具備磁粉檢測條件，在遇到設備檢修工期緊張、螺栓安裝位置不便于解體時，磁粉檢測法具有較大局限性。超聲檢測法通過對螺栓缺陷部位的聲波反射對螺栓進行檢測，由于螺栓的結構特殊和螺栓材料的不斷推陳出新，常規超聲檢測法在裂紋波和假信號分辨上面臨越趨嚴峻地挑戰。基于此，各種新興技術也在不斷開發并應用于運行螺栓的檢測，其中，全聚焦憑借其檢測結果的直觀和對缺陷的高分辨率受到越來越多關注。

全聚焦超聲成像技術以合成孔徑超聲成像技術為基礎，是近年來快速發展的一種新型超聲成像方法，全聚焦超聲成像技術能在整個成像區域內實現全聚焦成像，成像分辨率方面相比傳統的脈沖反射法超聲有明顯提升，且成像的近表面盲區也明顯小于傳統的脈沖反射法成像。

2、全矩陣采集全聚焦超聲技術的基本原理

全矩陣采集技術（FMC）是利用超聲相控陣探頭的一個特定的數據采集過程。對于一個N個晶片的陣列探頭，每個晶片依次激發，同時所有的晶片接收信號。這些數據被組織在一個包含了所有采集信號的矩陣中。探頭中所有的發射和接收陣元的所有可能的A掃信號，在所有的初始的信號被采集完畢后，就能通過加載一定的延時法則進行離線處理。

TFM是一種信號處理算法利用FMC模式所采集的數據。首先確定一個合理的檢測區域用于數據重建。然后將檢測區域進行空間離散化成為一個網格，對于這個網格區域中的每一點，聚焦法則的計算都基于相控陣探頭的晶片位置。所有的記錄信號都是時移量，并且與每一個點相對與探頭發射和接收晶片的距離要求和相對應，當檢測區域內的所有點重建完成時整個循環結束，其波幅表示為：

當采用直射波模式時，假設聚焦點為P（x，y），聲波從探頭中的第i個陣元激發并被第j個陣元接收，設聲速為c，聲波傳輸到P（x，y）點所用時間為[1]

當采用一次反射模式時，假設聚焦點為P（xp，yp），底面反射點為R（xr，yr），聲波傳輸到P（x，y）點所用時間為

其中C1為直射波的聲速，C2為一次反射波的聲速。

3、模擬仿真

CIVA模擬軟件的超聲模擬模塊主要由檢測聲場計算和預設缺陷響應兩大功能組成，本次螺栓仿真主要使用的是其中的缺陷響應功能，它能夠在工件內部設置各種型式、規格的缺陷，并將缺陷放置在工件中的任意位置。此外，CIVA軟件還可依據實驗需要添置任意規格的探頭、楔塊組合，設置對應的聚焦法則、檢測面探頭擺放位置和移動軌跡。

本文主要針對運行螺栓常見的裂紋斷裂失效形式進行仿真模擬。由于螺栓運行中產生的裂紋大部分出現在螺紋根部，并逐步發展，最終導致螺栓斷裂失效，本次仿真的裂紋缺陷均設置在裂紋根部。

1）CIVA仿真螺栓工件

本次仿真使用的工件為常見的雙頭螺紋螺栓，按照實物比例進行3D制圖，如圖1所示。

2）CIVA仿真相控陣探頭參數

本次CIVA仿真使用的相控陣探頭選擇無楔塊，具體參數如下：①相控陣探頭頻率為7.5MHz;②相控陣探頭晶片數量選擇32個;③相控陣探頭晶片寬度設置為0.4mm;④相控陣探頭間隙值選擇0.1mm;⑤相控陣探頭整個孔徑長度設置15.9mm，整個孔徑寬度設置為10mm。

3）相控陣探頭和螺栓工件缺陷位置

本次仿真的檢測面選擇雙頭螺紋螺栓兩個端面其中之一。螺栓工件的缺陷設置在螺栓螺紋側的螺紋根部（據統計，大部分運行螺栓斷裂失效均因螺紋根部產生裂紋，進而發生裂紋擴展，最終導致螺栓斷裂失效），如圖2所示。

4、CIVA模擬仿真結果

1）螺紋根部單個缺陷的CIVA仿真

在螺栓工件的任一螺紋端隨機選擇一處螺紋根部位置，在此處設置一個長條形缺陷模塊

模擬螺紋根部裂紋。在上述相控陣探頭參數條件下通過全聚焦相控陣模式對此預設缺陷模塊進行全聚焦檢測仿真，CIVA仿真運行結果如圖3所示。由仿真結果可見，預設缺陷模塊部位有明顯的缺陷響應信號，并且缺陷信號能準確顯示在提前加載的螺栓工件上，檢測結果清晰明了。

2）螺紋根部多個缺陷的CIVA仿真

在螺栓工件的一側螺紋的所有螺紋根部位置均預先設置1處缺陷模塊，缺陷位置均位于

同一螺栓縱切面上，通過相控陣全聚焦模式對所有缺陷進行檢測仿真，CIVA仿真運行結果如圖4所示。由仿真結果可見，所有設置缺陷部位均有響應信號，近探頭部位的螺紋根部缺陷，響應信號相對較弱，所有缺陷均能清晰分辨，并能準確顯示在加載工件的對應部位。

5、在役螺栓實物檢測

選擇與Civa模擬仿真一致的探頭參數，檢測選用一維線性陣列探頭，檢測區域設置在容易出現裂紋的螺紋區域，靈敏度調節選用不同深度φ1橫通孔做TCG，調節完基準靈敏度后再增加6dB作為初始掃查靈敏度檢測設備選用法國儀器GEEKO，考慮到在役螺栓檢測的具體要求，參照相關標準，采用直探頭對本側螺栓螺紋進行檢測。

5.1實物檢測

5.1.1 無缺陷螺栓螺紋檢測

當聲束從螺栓頭部進入無缺陷的螺紋部位，反射回波如圖5所示，圖5左側是T掃圖像，右側是A掃，T掃顯示比較直觀，螺紋能夠清晰顯示，螺紋與螺紋之間等間距顯示，螺紋反射波有規則排列，由上向下反射波影響由深變淺。

5.1.2 有缺陷螺栓螺紋檢測

當聲束從螺栓頭部進入有缺陷的螺紋部位，缺陷反射回波及無缺陷螺紋回波如圖6所示，由圖6可以看出：由T掃顯示，螺紋側有顯示有明顯擔任“空缺”，裂紋處螺紋反射與超聲入射方向近似平行，導致反射當量比較兄;通過定位可以確定缺陷位置下距離螺栓頭部65mm處。

6、結論

本文選用雙頭螺紋螺栓進行了CIVA模擬仿真，分別在螺栓工件單處螺紋根部位置和多處螺紋根部位置，預置相同缺陷模塊（1mm×3mm長方條，模擬裂紋缺陷），通過相控陣全聚焦運行檢測得出如下結論：

1）工件螺紋根部的單個或多個缺陷模塊均能在全聚焦相控陣檢測模式下產生明顯聲波反射信號;

2）全聚焦相控陣檢測模式能同時對同一螺栓縱切面上的，不同螺紋高度的缺陷模塊進行檢測;所有缺陷模塊均有明顯聲波反射信號，各個缺陷模塊能清晰分辨，且缺陷模塊的聲波響應強度隨著缺陷模塊距離相控陣探頭的垂直距離增加而增強;

3）全聚焦相控陣檢測技術能通過預先加載工件模型的方式，實時標識出相應缺陷模塊在對應工件中的具體位置，缺陷定位清晰明了

4）全聚焦相控陣超聲可應用于在役螺栓檢測，可有效檢測出螺紋部位危害型缺陷裂紋

通過仿真結果可知，全聚焦相控陣檢測技術在螺栓檢測中的應用是可行的。隨著全聚焦相控陣檢測技術的不斷突破發展，其在在螺栓檢測上將會有更廣闊的前景。

參考文獻

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