水工金屬結構在役高強螺栓相控陣檢測技術應用研究

李東風，程勝金，高志萌

(水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044)

高強螺栓聯接廣泛應用在水利、電力等行業。在這些行業中許多重要部件都是通過螺栓來進行聯接的。高強螺栓使用中受到的工況和載荷情況非常惡劣和復雜，特別是在役水工鋼閘門使用的高強螺栓，在運行過程中不僅承受復雜的應力，還承受著腐蝕、溫度變化帶來的不利影響[1]，易產生疲勞裂紋而斷裂。水利工程在役水工鋼閘門高強螺栓的斷裂失效部位主要在螺栓螺紋的根部裂紋和螺帽R角裂紋。螺栓一旦發生疲勞斷裂，會引起設備破壞，進而引發重大工程安全事故。另外在役水工鋼閘門在水利工程運行中，受水動力的影響而產生振動；高強螺栓承受交變載荷易產生疲勞裂紋，疲勞裂紋屬于脆性破壞，一般不容易被發現，易引起突發事故[3]。因此，對螺栓進行定期的內部和表面質量安全檢測是非常有必要的。

目前，在役高強螺栓內部質量常規無損檢測方法是將其拆卸清洗后，再進行常規的超聲波和磁粉檢測，對其質量進行評價。但在水利工程中在役水工鋼閘門高強螺栓受工況的影響，無法進行拆卸，常規無損檢測方法存在一定的局限性[4]。

本文針對水利工程在役高強螺栓運行實際情況，在不拆卸的前提下，采用超聲波相控陣無損檢測技術，首先利用聲場仿真軟件和對標準螺栓人工刻槽缺陷進行試驗和校驗，并通過實際工程檢測應用，驗證超聲相控陣線性陣列和菊花陣列2種不同的方法檢測在役水工鋼閘門高強螺栓裂紋檢測的有效性。

1 超聲波相控陣檢測原理和優勢

超聲波相控陣檢測基本原理是通過改變換能器中各個晶片激發和接受脈沖的延遲時間[3]，來改變各個晶片發射聲波到達物體內部某一點的相位關系，從而實現聲速方向的改變和聚焦使相控陣波束聚集在一起，形成掃描成像。采用相控陣的縱波扇形掃查檢測螺栓，掃查角度設定為-30°～30°縱波垂直入射可以覆蓋到螺紋的整個區域，通過調節相控陣的脈沖發射頻率、發射能量、采樣頻率、濾波器頻率、增益等參數，能夠更好地分辨出人工裂紋刻槽缺陷。

常規的超聲波檢測螺栓主要用的是縱波直探頭，但縱波直探頭檢測有很多問題是難以避免的，比如裂紋具有方向性，如果是縱向裂紋就很容易造成漏檢，檢測不可靠。由于螺栓幾何形狀的特殊性，螺紋的反射回波干擾很多，難以辨別哪個是缺陷波和螺紋根部反射波。

采用相控陣超聲波檢測技術檢測螺栓內部的裂紋缺陷，能夠解決常規超聲波檢測時遇到的各種問題。超聲波相控陣技術具有以下優點：

(1)檢測結果直觀，便于對缺陷進行分析和判斷。直觀的圖像顯示比波形顯示要好，對螺栓進行檢測時，從圖像上面就可以分辨出哪個是缺陷圖像哪個是螺紋反射回波圖像。相控陣探頭工作時多個晶片同時激發，大大提高缺陷檢出率，檢測可靠性高。

(2)對螺栓這種復查幾何形狀的工件進行檢測具有良好的聲速可達性。通過對焦點尺寸的控制和聲束方向以及焦點深度，提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能[6- 9]。

2 螺栓檢測方法及結果分析

2.1 螺栓試樣設計

根據試驗要求，采購了一根內部質量完好的螺栓，使用清洗劑將螺栓上面的油污雜質清洗干凈，然后使用線切割在螺栓試樣上面加上人工刻槽缺陷模仿裂紋，人工缺陷在螺栓上的位置尺寸如圖1所示。

圖1 人工刻槽位置示意圖

人工刻槽均為垂直于螺栓中心軸線的橫向刻槽，螺栓的編號為1#，材質為45Cr，缺陷F1在螺紋根部、F2在螺紋與螺桿交界處，F3在螺桿處，F4在螺桿與螺頭交界處(R角處)，這4種缺陷位置均為工程實際中容易出現的典型部位。螺栓刻槽位置和深度參數見表1。

表1 螺栓試驗人工刻槽參數 單位：mm

2.2 線性陣列探頭扇形掃查

超聲相控陣線性陣列掃查設備選用便攜式相控陣設備，該設備分辨率800×600像素；工作環境溫度：-10～45℃；1個相控陣接口，2個UT接口；256個聚焦法則；16個孔徑，64個晶片；相控陣通道激勵電壓范圍40～115V，脈沖寬度范圍30～500ns;增益范圍0～80dB，最大輸入信號為550mVp-p(滿屏高度);系統帶寬0.6～18MHz。

選用線性陣列探頭進行檢測，掃描設置為扇形掃查，掃查范圍：-30°～30°，陣元數量32個，激發陣元為16個，掃查角度步進為1°激勵電壓80，采樣率40。

將設備連接并調試好之后，涂上耦合劑放探頭于螺栓的A面，對41、81、114、141mm處的深度為1mm的人工刻槽進行相控陣縱波扇形檢測，檢測過程中轉動探頭一周找到人工刻槽的最高回波位置，然后將回波降至滿屏高度的80%作為基準靈敏度，如圖2所示，4個不同深度位置的人工刻槽反射回波相控陣成像圖譜。

圖2 不同深度處的人工刻槽反射回波圖像(線性陣列探頭)

以螺栓A面作為檢測面，調節閘門位置，使閘門套住41mm處的人工刻槽缺陷回波，將回波調至滿屏刻度的80%作為基準靈敏度，此時對應的增益為47dB，81mm處的人工刻槽缺陷對應的波高為67%，并且能夠準確檢測出其深度位置，114mm和141mm處的人工刻槽缺陷的回波低于20%，并且相控陣檢測系統顯示無法探出，如圖2(a)所示。再次調節閘門位置，使得閘門套住141mm處深度為1mm的人工刻槽缺陷，將波幅調節至滿屏刻度的80%處作為基準波高，此時對應的增益為63dB，并且4處人工刻槽缺陷均能檢測出來，114mm處刻槽對應的波高超過滿屏的100%，41mm和81mm處刻槽對應的波高均超過250%，但能夠明顯和螺紋根部反射回波區分開如圖2(d)所示。

2.3 菊花陣列探頭扇形掃查

選用菊花陣列探頭進行檢測，中心頻率5MHz，陣元外徑26mm，外徑12mm，陣元數量64。掃描設置為扇形掃查，掃查范圍：-30°～30°，激發陣元為16個，掃查角度步進為1°激勵電壓115，采樣率33。

采用和線陣探頭同樣的檢測方法，對螺栓的A面對41、81、114、141mm處的深度為1mm的人工刻槽進行相控陣縱波菊花陣列扇形掃查，檢測過程中轉動探頭一周找到人工刻槽的最高回波位置，然后將回波降至滿屏高度的80%作為基準靈敏度，刻槽反射回波圖像如圖3所示。

圖3 不同深度處的人工刻槽反射回波圖像(菊花陣列探頭)

同樣以螺栓A面作為檢測面，調節閘門位置，使閘門套住41mm處的人工刻槽缺陷回波，將回波調至滿屏刻度的80%作為基準靈敏度，此時對應的增益為30dB，81mm處的人工刻槽缺陷對應的波高為84%，并且能夠準確檢測出其深度位置，114mm和141mm處的人工刻槽缺陷的回波低于20%，并且相控陣檢測系統顯示無法探出，如圖3(a)所示。再次調節閘門位置，使得閘門套住141mm處深度為1mm的人工刻槽缺陷，將波幅調節至滿屏刻度的80%處作為基準波高，此時對應的增益為49dB，并且4處人工刻槽缺陷均能檢測出來，114mm處刻槽對應的波高超過滿屏的100%，41mm和81mm處刻槽對應的波高均超過250%，但能夠明顯和螺紋根部反射回波區分開，如圖3(d)所示。

通過線性陣列探頭和菊花陣列探頭對螺栓1mm深的人工刻槽檢測試驗可知，線性陣列探頭檢測4個缺陷時，為了得到良好的成像圖譜，檢測時可將檢測靈敏度在35～52dB范圍進行調節，菊花陣列探頭檢測時檢測靈敏度調節范圍為17～40dB，在每個刻槽均達到滿屏刻度的80%波高基準下，對不同距離的人工刻槽所對應的增益值進行了測量，刻槽深度與增益之間的關系如圖4所示，菊花陣列探頭在81mm處刻槽的增益降低是由于受到波的疊加干涉影響，其它增益刻槽隨著距離的增加而升高，這是由于相控陣聲束在螺栓內部傳播時發生了衰減造成聲能降低。線陣探頭檢測螺栓的螺紋處的人工刻槽缺陷，缺陷信號容易淹沒在螺紋根部反射回波信號里面，不易被發現。菊花陣列探頭檢測螺栓的螺紋處的人工刻槽缺陷時，能夠和螺栓根部的反射信號以扇形圖像的中線左右分開，容易分辨。菊花陣列探頭以較低的檢測靈敏度就能達到和線性陣列探頭相同的檢測效果。

圖4 不同距離的刻槽與增益關系圖

2.4 相控陣成像質量的影響因素

通過本次相控陣檢測螺栓人工刻槽缺陷的試驗可知，相控陣成像質量的好壞直接影響到檢測人員對缺陷的準確判斷。通過試驗總結出來了以下幾條影響因素，以供在實際工程應用中作為參考。

(1)相控陣系統本身的影響，例如脈沖發生器里面的激發能量電壓(V)，最大采集率(Hz)，濾波器頻率(MHz)等，這些參數需要根據現場實際檢測螺栓的情況進行調整，觀察圖像變化，直到調出滿足檢測要求的清晰的圖像為止。

(2)反射體大小對成像的影響，在螺栓距離A面41mm的位置刻一個深度為1.5mm的刻槽和同一位置深度為1mm的刻槽進行檢測，如圖5所示1mm和1.5mm的刻槽均能被發現，回波幅度均為80%滿屏波高時，1mm的刻槽檢測靈敏度為39dB，1.5mm的刻槽檢測靈敏度為30dB，兩則相差9dB，即深度越大的刻槽回波幅度越高，信噪比越大，反射信號成像越深。

圖5 相同位置不同深度的刻槽反射回波圖像

3 結論

本文采用相控陣的方法對螺栓內部模仿裂紋缺陷的人工刻槽進行了試驗，目的是為了解決工程實際中水工金屬結構在役螺栓內部質量的檢測。采用了相控陣線性陣列和菊花陣列2種不同的探頭進行檢測對比，分析了影響相控陣成像質量的因素，并得出以下結論。

(1)相控陣線性陣列探頭和菊花陣列探頭均能有效檢測出螺栓上面的人工刻槽缺陷，相較于線性陣列探頭，菊花陣列探頭的優勢為：無需旋轉或只需輕微旋轉即可發現所有角度上的缺陷，而線陣探頭至少需旋轉180°。菊花陣列探頭能夠將螺紋根部的反射信號和人工刻槽信號非常明顯的區分開。

(2)菊花陣列探頭檢測同一位置深度為1mm的人工刻槽缺陷時的信噪比高于線陣探頭的信噪比。同一檢測位置1.5mm的刻槽比1mm刻槽的信噪比大，成像也比較清晰。

(3)超聲相控陣技術檢測螺栓具有很大的優勢，能夠提高裂紋缺陷的檢出率，增加了檢測結果的可靠性，能夠滿足工程實際中在役高強螺栓的檢測要求。