電站汽輪機緊固螺栓相控陣檢測研究

摘 要：高溫緊固螺栓是汽輪機的重要緊固部件，服役時承受高溫、高交變應力，服役環境復雜，微小裂紋也會嚴重影響設備的可靠性。本文針對汽輪機高溫緊固螺栓內部存在的微小裂紋等缺陷，利用相控陣超聲波檢驗的原理對高溫緊固螺栓內部進行分析，采用有限元仿真和試驗驗證，利用5L32-0.5型號探頭從桿部進行相控陣超聲波檢驗，可有效覆蓋螺栓螺紋根部區域，相控陣超聲波對缺陷的響應非常明顯，可有效檢測高溫緊固螺紋根部存在的微小裂紋。

關鍵詞：超聲；相控陣；螺栓；有限元；聲場響應

中圖分類號：TG 80" " 文獻標志碼：A

為了滿足汽輪發電機組參數提高和深度調峰的要求，高溫緊固螺栓要承受越來越惡劣的服役條件，螺栓斷裂導致的安全事故時有發生[1]。

目前，高溫禁錮螺栓缺陷檢測主要包括常規的超聲波檢測和滲透檢測，對內部潛伏性微小缺陷檢測能力不足。螺栓的螺紋結構使微小裂紋很容易隱藏在結構波和這類干擾信號中，造成微小缺陷的漏檢[2]。而超聲相控陣檢測能夠同時實現A掃、C掃和S掃，顯示更直觀。通過在顯示屏上同步顯示，可比較結構波和缺陷波的區別[3]。同時由于超聲相控陣技術是從多角度對同一缺陷進行掃查，因此其信噪比更高，對缺陷的檢出率也更高。

本文對高溫緊固螺栓的相控陣檢測技術進行了原理分析和仿真研究，探究了高溫緊固螺栓檢測時的聲束覆蓋和聲場響應[4]，并通過檢測試驗進行驗證，分析高溫緊固螺栓相控陣超聲檢測的有效性。

1 超聲相控陣技術

國外的超聲相控陣檢測技術起源于20世紀70年代，目前已廣泛應用于石化、航空和電力等領域，如石化中各類壓力容器的特殊焊縫檢測、各類運載火等航空設備的特種焊縫檢測和電廠鍋爐特殊角焊縫檢測。我國于20世紀90年代末引入超聲相控陣技術，目前我國各行業在超聲相控陣設備開發、技術應用等方面取得了較大進步，涉及領域包括航空、電力、核工業和國防等。

超聲相控陣檢測技術的啟發來源于雷達電磁波技術，其是采用一定數量形狀、大小均一致的壓電晶片排列組合成陣列，每個晶片獨立發射超聲波束，并通過一定規則和時序控制每個晶片單元，調節聚焦方向和焦點位置形成聚焦聲場，是一種利用現代計算機自動化控制手段控制各陣元的信號在聲場中的偏轉、聚焦，并進行偏轉、聚焦成像的高端檢測技術。

超聲相控陣成像檢測技術采用多元的陣列換能器，相控陣超聲檢測技術原理是建立在惠更斯原理基礎上的，即波面上的每點（面元）都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每時刻的子波波面的包絡就是該時刻總波動的波面[4]。相控陣線陣探頭的多個壓電晶片呈一維排列，每個晶片都是一個單獨的陣元。相關的控制系統按照一定時序和規則激發出超聲波，每個陣元發出的超聲信號波互相重疊組合成一個整體的圓周波陣面，進而實現超聲波聲束的聚焦和超聲波聲束的偏轉。

為實現聲束的偏轉，一般各陣元的延遲時間呈等差數列，形成的合成波陣面為一平面，這個波陣面的法線與該晶片排列陣元形成的平面構成一定角度，從而實現了波束發射方向的偏轉。設該探頭布置有N個陣元，則相鄰的聲程差如公式（1）所示[5]。

?s=d·sinθ （1）

式中：?s為相鄰陣元的聲程差；d為相鄰陣元中心線距離；θ為聲波偏轉角度，即波陣面法線與陣元排列平面法線間的夾角。

第n個陣元對于第0個陣元的延遲時間如公式（2）所示。

tn=nd·sinθ/C （2）

式中：C為超聲波在相應介質中的傳播速度。

同時，還需要對偏轉后的聲束產生聚焦，以提高缺陷檢測的靈敏度。設第i個陣元中心線距離陣列中心線的距離為xi，焦距為F，則該陣元距離焦點P的距離如公式（3）所示。

（3）

聲程差為?s=F-Pn，因此，第n個陣元的延時為tn=?s/C+t0，其中t0為避免延時為負數所增加的一個時間常數。因此，第n個陣元的延時如公式（4）所示[5]。

（4）

要實現聲束的偏轉后的聚焦，利用公式（2）和公式（4）綜合設置各陣元的延時即可。

2 有限元仿真分析

2.1 相控陣聲場理論

根據研究可知，螺栓的斷裂位置一般為第一、二道螺紋根部，一方面由于螺紋根部是應力集中的部位，另一方面螺帽或螺母緊固后邊緣一般在第一、二道螺紋處，使設備應力進一步集中于此。

本文利用Comsol Multiphysics軟件的壓力聲學模塊對螺栓裂紋缺陷的聲束覆蓋和聲場響應進行仿真計算?；谟邢拊腃omsol Multiphysics涉及的壓力聲學仿真采用的基本波動方程如公式（5）所示[6]。

（5）

式中：Q為表征超聲波速度的量；ρ0為介質密度；c為介質中的聲速；p為壓力；t為時間；μ為材料阻尼系數。

設計一種壓力波，由探頭產生的聲壓的大小與其幅值一致，并設置壓力波壓力的大小與探頭的電信號變化相關聯。探頭聲場中與聲源等距離的任一點的聲壓可以通過公式（6）進行計算[6]。

（6）

式中：p（t，r）為聲場中某點的聲壓；p為近場聲壓；λ為介質中超聲波的波長；r為聲場中某點至聲源的距離；α為輻射元件的半徑；k為波數；ω為圓頻率。

聲源附近的聲壓如公式（7）所示。

p=cυp0 （7）

式中：υ為壓電元件的振蕩速率。

當Q=4πυα2，將公式（7）代入公式（6）可得公式（8）。

（8）

在波動方程中，Comsol Multiphysics只需要設置與超聲波傳播速度相關的物理量，使用全周期的正弦脈沖信號。為了使電信號與壓電元件相匹配，可以在進行多次試驗后以最佳信號為準[7-9]，如公式（9）所示。

Q（t）=Q0sin[2πf0（t-ti）] （9）

式中：ti為延遲時間；f0為壓電陶瓷的工作頻率，所有陶瓷片的頻率應一致；Q0為信號振幅，與輸入電壓成正比。

2.2 聲場仿真分析

本文應用的螺栓規格為φ（76×400）mm，材質為20Cr1Mo1VNbTiB。根據螺栓結構參數，考慮螺栓模型長度較長和所檢測部位的對稱性，為了減少仿真的計算量，模擬將三維模型簡化為二維模型，并對螺栓其中一側進行檢測。利用計算機智能系統調節傳感器觸發信號的真正時間，可獲得各種角度的圓周波陣面，從而模擬出傳感器的簡化模型。通過設定瞬時狀態的求解步長、陣元間距和陣元個數等，進行全過程仿真計算[9]。本文仿真模擬模型如圖1所示，晶片陣列使用的是全發全收模式。所采用的換能器頻率為5MHz，采用32陣元探頭，陣元寬度為0.5mm。圖1模型呈現的螺栓仿真模型為無缺陷狀態，通過采用相控陣的聚焦和偏轉方式，逐步獲得延遲時間的運行法則，激勵波源施加在模型中的32陣元晶片上[10]。由圖1可知，該換能器的參數和布置位置的選擇可覆蓋螺栓前5個螺紋，并有可觀的回波信號。

當在螺紋根部設置1mm深缺陷時，缺陷布置如圖2所示，對上述缺陷進行相控陣超聲波的激發和缺陷響應仿真。

缺陷的超聲波信號傳播如圖3所示，可清楚看出缺陷對超聲波有明顯響應。從以上3個模型的缺陷響應仿真圖可以看出，一共出現了3個信號，其中第一個和第二個信號比較接近。從信號的幅值和時間可知，第一個信號為初始激發的總幅值信號。由于聲波在仿真中是雙向發射的，第二個信號有可能是聲波后向發射后從邊界反射回來的信號，因此信號幅值有所下降，但持續時間較長。根據聲波的飛行信號，可以確定最后一個信號是缺陷的回波信號。

人工模擬缺陷產生強烈超聲波信號返回，回波信號最高出現在24.5×10-6s附近，如圖4所示。

3 試驗檢驗分析

根據仿真結果，采用5L32-0.5探頭并配置N55S-AOD76楔塊，對螺栓進行耦合，并激發相控陣超聲波，檢測效果如圖5所示。下方有規律回波顯示為螺紋的規則回波顯示；規律回波上方出現明顯回波，該部分回波為缺陷回波，回波波幅顯著。因此利用相控陣超聲波檢測方法，并采用合理的檢測參數和設備配置，可有效檢測螺栓微小裂紋。

4 結論

本文利用有限元仿真方法對高溫緊固螺栓前幾道螺紋處進行了缺陷檢測，所得結論如下所示。1）利用相控陣超聲波檢測，在桿部布置斜探頭，并結合相控陣的延遲時間，實現對超聲波的偏轉聚焦和缺陷部位的聲束覆蓋。2）根據基于有限元的壓力聲學仿真設置該檢測面參數，可獲得可觀的缺陷回波型號，有利于缺陷檢測。3）根據實際檢測分析可知，如果規律的螺紋回波信號上包括明顯的非規律回波信號，即為缺陷回波。4）利用相控陣超聲波檢測可有效檢測螺紋根部的微小裂紋。

參考文獻

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通信作者：劉福平（1985-），男，漢，陜西神木市人，本科，工程師，研究方向為電廠金屬檢測檢驗和失效分析。

電子郵箱：lfp1109@163.com。