康小偉，張?chǎng)?何仁洋，陳金忠

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029;2.北京科技大學(xué)， 北京 100083)

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在役奧氏體不銹鋼螺栓的超聲相控陣檢測(cè)

康小偉1，張?chǎng)?,何仁洋1，陳金忠1

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029;2.北京科技大學(xué)， 北京 100083)

針對(duì)在役奧氏體不銹鋼螺栓可靠性檢測(cè)的需要，仿真分析了超聲相控陣在奧氏體不銹鋼螺栓中的聲場(chǎng)分布情況，觀察超聲相控陣聲場(chǎng)在奧氏體不銹鋼螺栓中的覆蓋范圍，并通過(guò)設(shè)定檢測(cè)工藝參數(shù)，仿真分析比較在役奧氏體不銹鋼螺栓在完好狀態(tài)和有缺陷時(shí)的聲場(chǎng)回波情況。在奧氏體不銹鋼螺栓相控陣聲場(chǎng)仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，討論分析不同脈沖重復(fù)頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，并給出如何消除脈沖重復(fù)頻率產(chǎn)生的幻影回波偽缺陷信號(hào)的方法；最后結(jié)合仿真計(jì)算和脈沖重復(fù)頻率工藝優(yōu)化方法，應(yīng)用超聲相控陣方法成功檢測(cè)出含裂紋缺陷的在役奧氏體不銹鋼螺栓，驗(yàn)證了在役奧氏體不銹鋼螺栓超聲相控陣檢測(cè)工藝的準(zhǔn)確性。

超聲相控陣；奧氏體不銹鋼螺栓；無(wú)損檢測(cè)；裂紋

螺栓是工業(yè)裝備中的標(biāo)準(zhǔn)配件之一，在大型鋼架結(jié)構(gòu)、橋梁固定結(jié)構(gòu)、油井緊固結(jié)構(gòu)等設(shè)備中廣泛應(yīng)用。石化企業(yè)的設(shè)備中螺栓的使用量較大，各工藝裝置長(zhǎng)期處于高溫高壓、周期振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境,螺栓容易產(chǎn)生裂紋等缺陷;尤其是沿海地區(qū)的石化企業(yè)，所處的海鹽海霧等環(huán)境更會(huì)加速螺栓的失效。因此，石化企業(yè)對(duì)螺栓的安全性提出了更高的要求[1-2]。

常規(guī)檢測(cè)螺栓的方法是先將螺栓拆卸下來(lái)，再采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，目前這些方法主要有外觀觀測(cè)、磁粉檢測(cè)、著色檢測(cè)、普通超聲波檢測(cè)法等。雖然這些檢測(cè)方法對(duì)螺栓的表面裂紋靈敏度很高，但也有局限性,如磁粉檢測(cè)方法只適用于檢測(cè)鐵磁性材料的螺栓，不適用奧氏體不銹鋼螺栓的檢測(cè)；著色檢測(cè)對(duì)工件表面粗糙度要求較高，而且對(duì)環(huán)境有污染；常規(guī)超聲波檢測(cè)奧氏體不銹鋼螺栓時(shí)信噪比低，同時(shí)受到螺紋反射波的干擾，實(shí)際很難或基本無(wú)法檢出螺栓上的裂紋。而且,上述檢測(cè)方法都需要將設(shè)備停機(jī),將螺栓拆卸下來(lái)再進(jìn)行檢測(cè)[3-4]。

MOLES等利用相控陣對(duì)螺栓裂紋進(jìn)行檢測(cè)，方法是將相控陣探頭安裝在螺栓頂端，機(jī)械化旋轉(zhuǎn)探頭，利用小角度縱波進(jìn)行S掃描[5]。CIORAU等采用相控陣檢測(cè)螺栓的應(yīng)力腐蝕裂紋，可檢測(cè)深度在21～63 mm[6]的螺栓。KITAZAWA等將相控陣三維圖像信號(hào)應(yīng)用在螺栓檢測(cè)上，將探頭放置在螺栓頂端對(duì)螺栓進(jìn)行成像處理，檢測(cè)螺栓內(nèi)部缺陷[7]。MARTINEZ等使用相控陣表面波檢測(cè)螺栓頂端的張力和拉力[8]。

筆者針對(duì)在役奧氏體不銹鋼螺栓，通過(guò)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的多探頭、多通道、波束聚焦等特點(diǎn)，首先仿真分析超聲相控陣在奧氏體不銹鋼螺栓中的聲場(chǎng)響應(yīng);然后通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)在役奧氏體不銹鋼螺栓裂紋的有效性。

圖1　相控陣系統(tǒng)波束偏轉(zhuǎn)和聚焦示意

1　相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣成像原理是通過(guò)控制陣列換能器中各個(gè)陣元的激勵(lì)與接收脈沖的時(shí)間延遲，從而改變各個(gè)陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來(lái)自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控陣的波束合成，形成成像掃描[9-11]。

相控陣探頭是由許多獨(dú)立的晶片構(gòu)成的，每個(gè)晶片都能被單獨(dú)激發(fā)。這些探頭由特殊的裝置驅(qū)動(dòng)，能夠在每個(gè)通道獨(dú)立、同步地發(fā)射和接收信號(hào)。超聲相控陣的一個(gè)重要特性就是可以通過(guò)軟件來(lái)改變超聲波束的特性，另外掃查角度范圍、聚焦深度和焦點(diǎn)尺寸等也都能通過(guò)軟件控制[12-14]。因而在一定程度上克服了常規(guī)超聲由于聲束的方向性帶來(lái)的在缺陷檢出和定量上的局限性,其原理如圖1所示。

2　檢測(cè)工藝仿真

2.1檢測(cè)角度及聲場(chǎng)范圍

因在役奧氏體不銹鋼螺栓工況的限制，超聲相控陣檢測(cè)時(shí)需要把相控陣探頭放置在螺栓的兩端。為了確保探頭的聲場(chǎng)能全部覆蓋奧氏體不銹鋼螺栓，需要對(duì)相控陣的聲場(chǎng)波束設(shè)置一定的角度，但由于采用較大偏轉(zhuǎn)角度時(shí)檢測(cè)靈敏度會(huì)下降，定位精度會(huì)變差，故檢測(cè)中選用-35°～+35°的角度范圍進(jìn)行掃描，掃描分辨力為0.5°。圖2是超聲相控陣檢測(cè)螺栓波束聚焦示意，從圖中可看出藍(lán)色區(qū)域?yàn)槌曄嗫仃嚈z測(cè)方法對(duì)螺栓的實(shí)際覆蓋范圍。

圖2　超聲相控陣檢測(cè)波束覆蓋示意

2.2仿真檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

CIVA軟件仿真時(shí)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置為:檢測(cè)頻率5 MHz,扇形掃描,角度步進(jìn)0.5°,聚焦深度70 mm,5 MHz帶通濾波,檢測(cè)角度-35°～+35°,探頭位于螺栓端面中心,激發(fā)晶片數(shù)為1～10片。

2.3仿真結(jié)果聲場(chǎng)分布

建立M16奧氏體不銹鋼螺栓模型，在螺栓頂端加載相控陣探頭，分別對(duì)完好的奧氏體不銹鋼螺栓和帶有缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓進(jìn)行聲場(chǎng)波束仿真，觀察分析兩種情況下超聲波相控陣的聲場(chǎng)波束響應(yīng)。圖3所示為無(wú)缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓的相控陣檢測(cè)仿真結(jié)果。

圖3　無(wú)缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓相控陣檢測(cè)仿真結(jié)果

圖4　螺栓缺陷的相控陣檢測(cè)仿真結(jié)果

圖4所示是奧氏體不銹鋼螺栓螺牙處缺陷和螺栓本體內(nèi)部缺陷的相控陣回波示意。從圖中可以明顯看出兩處缺陷的回波信號(hào)清晰可見(jiàn)，與完好的螺栓相控陣信號(hào)相比較，含缺陷的奧氏體不銹鋼螺栓相控陣信號(hào)有明顯異常。由此說(shuō)明，超聲相控陣對(duì)奧氏體不銹鋼螺栓有較好的聲場(chǎng)覆蓋，并且螺栓缺陷處聲場(chǎng)信號(hào)會(huì)有異常響應(yīng)。

3　脈沖重復(fù)頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由于螺栓相控陣檢測(cè)時(shí)聲場(chǎng)傳播深度較大，應(yīng)在不影響成像刷新率的情況下盡量使用較低的脈沖重復(fù)頻率，否則易出現(xiàn)幻影回波，導(dǎo)致缺陷誤判。識(shí)別幻影回波時(shí)，可改變脈沖重復(fù)頻率，觀察圖像變化，若信號(hào)的位置及強(qiáng)度發(fā)生變化，且在脈沖重復(fù)頻率降低到一定程度后消失，則證明信號(hào)為幻影波。若信號(hào)在脈沖重復(fù)頻率修改后無(wú)明顯變化，則說(shuō)明是缺陷回波。圖5所示為在同一試塊上，幻影回波的位置及強(qiáng)度隨脈沖重復(fù)頻率的改變而變化。

從圖5看出，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為30,50,70 Hz時(shí)都會(huì)產(chǎn)生影像波，而當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為10 Hz時(shí)，影像波消失;而且不同的重復(fù)頻率時(shí)，螺栓中間產(chǎn)生的影像波的位置和強(qiáng)度都會(huì)產(chǎn)生變化。由此可判定脈沖重復(fù)頻率的設(shè)置會(huì)影響到檢測(cè)結(jié)果及偽缺陷信號(hào)的判斷。

圖5　不同脈沖重復(fù)頻率下幻影回波的變化示意

4　試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

參照以上仿真工藝參數(shù)和脈沖重復(fù)頻率的工藝設(shè)置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的M12～M20的奧氏體不銹鋼螺栓進(jìn)行相控陣檢測(cè)試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)用相控陣探頭

試驗(yàn)用相控陣探頭規(guī)格參考仿真中的探頭參數(shù)，因是檢測(cè)M16小規(guī)格的螺栓，考慮探頭掃查面的覆蓋問(wèn)題，同時(shí)又不減弱探頭聲場(chǎng)能量的前提下，探頭參數(shù)選用晶片數(shù)量為10個(gè)，頻率為5 MHz，單個(gè)晶片寬度為0.6 mm。檢測(cè)用奧氏體不銹鋼螺栓外觀如圖6所示。

圖6　檢測(cè)用奧氏體不銹鋼螺栓外觀

4.2試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)如圖7所示異常信號(hào)，為了辨別該信號(hào)是否為幻影回波造成的偽缺陷信號(hào)，對(duì)脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行了修改，修改后發(fā)現(xiàn)其回波不會(huì)變化，初步判斷該螺栓有異常。

圖7　異常信號(hào)示意

然后對(duì)有異常信號(hào)的螺栓進(jìn)行了拆除，拆除后發(fā)現(xiàn)該螺栓中部有斷裂裂紋，由此判定了超聲相控陣檢測(cè)在役奧氏體不銹鋼螺栓的可行性。圖8所示是相控陣檢測(cè)在役奧氏體不銹鋼螺栓時(shí)檢測(cè)出的有缺陷螺栓。

圖8　相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的開(kāi)裂螺栓

5　結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，仿真分析了超聲相控陣在奧氏體不銹鋼螺栓中的聲場(chǎng)分布情況，比較了在役奧氏體不銹鋼螺栓在完好狀態(tài)下和有缺陷時(shí)的聲場(chǎng)回波情況，分析了不同脈沖重復(fù)頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。得出在采用超聲相控陣檢測(cè)在役奧氏體不銹鋼螺栓時(shí)，應(yīng)盡量采用較小的脈沖重復(fù)頻率的結(jié)論。最后結(jié)合仿真計(jì)算和脈沖重復(fù)頻率工藝優(yōu)化方法，應(yīng)用超聲相控陣方法檢測(cè)出含裂紋缺陷的在役奧氏體不銹鋼螺栓，驗(yàn)證了超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)在役奧氏體不銹鋼螺栓的可行性。

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Ultrasonic Phased Array Inspection of In-Service Austenitic Stainless Steel Bolts

KANG Xiao-wei1, ZHANG Wen-wen2, HE Ren-yang1, CHEN Jin-zhong1

(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China;2.University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The non-destructive testing of small sized (M12-M20) austenitic stainless steel bolts in use is always a technical problem. According to the reliability testing needs of stainless steel bolts in use, this paper analyzes sound field distribution of stainless steel bolts in ultrasonic phased array by simulation, observes its sound field coverage in ultrasonic phased array and sets inspection process parameters. Simulation analysis on and comparison of the sound field echo status of the in use stainless steel bolts in good and flawed condition, and based on the sound field calculation of stainless steel bolts phased array simulation, the paper also discusses and analyzes the effects of different pulse repetition frequency on the accuracy of detection results, and shows the method how to eliminate the false defection signal of phantom echo generated by pulse repetition frequency. Finally, by combining the process optimization method of simulating calculation and pulse repetition frequency, cracks of in service stainless steel bolts were successfully detected by applying ultrasonic phased array. It proved the accuracy of ultrasonic phased array inspection technology, which could provide technical support for future non-destructive testing of austenitic stainless steel bolts in use.

Ultrasonic phased array; Austenitic stainless steel bolt; Nondestructive testing; Crack

2015-10-18

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014QK248)。

康小偉(1986-)，男，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究工作。

康小偉,E-mail: kxw816@126.com。

10.11973/wsjc201607004

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0017-04