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        港口機(jī)械在役螺栓的相控陣超聲檢測(cè)

        2019-12-19 07:10:20
        無損檢測(cè) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:裂紋深度檢測(cè)

        (上海振華重工集團(tuán)(南通)傳動(dòng)機(jī)械有限公司, 南通 226017)

        港口機(jī)械(以下簡(jiǎn)稱港機(jī))的主體架構(gòu)是由許多鋼結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拼裝而成的,各結(jié)構(gòu)之間通常采用焊接連接或螺栓連接。螺栓連接是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接牢靠、拆裝方便的拼接方式,所以在港機(jī)產(chǎn)品中的使用極為廣泛。港機(jī)產(chǎn)品中主要使用高強(qiáng)度六角螺栓連接緊固,這些長(zhǎng)期服役的螺栓除了承受復(fù)雜的應(yīng)力作用外,還要承受冷熱潮濕、海鹽侵蝕等自然界的破壞,容易產(chǎn)生疲勞裂紋而斷裂。港機(jī)螺栓的失效斷裂形式主要有兩種:螺紋根部裂紋,螺頭R角裂紋。

        螺栓一旦發(fā)生疲勞斷裂,輕者會(huì)致使設(shè)備中斷生產(chǎn)或效率降低,重者會(huì)引發(fā)安全責(zé)任事故,因此定期對(duì)在役螺栓實(shí)施檢測(cè)尤為重要。以往對(duì)在役螺栓的檢測(cè),通常的做法是將螺栓拆卸下來,再進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)。但是港機(jī)產(chǎn)品的垂直高度一般在20~80 m,且螺栓分布范圍廣,故這種情況下工作量大,拆卸困難,且檢測(cè)周期長(zhǎng)、效率低。

        針對(duì)港機(jī)在役螺栓出現(xiàn)的螺紋根部裂紋、螺頭R角裂紋等缺陷,在不拆卸螺栓的情況下,筆者采用相控陣超聲技術(shù)在螺栓的兩端面實(shí)施檢測(cè),利用扇形掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)對(duì)螺栓的全部覆蓋,同時(shí)結(jié)合聲束聚焦、波形成像等技術(shù),較好地檢測(cè)出了在役螺栓缺陷。

        1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

        1.1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)原理

        相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)原理是:換能器(探頭)由多個(gè)獨(dú)立壓電晶片組成,并按一定規(guī)則排列;檢測(cè)時(shí)由計(jì)算機(jī)軟件控制各晶片的激勵(lì)時(shí)間,通過預(yù)先設(shè)定的延遲時(shí)間逐次激發(fā)各個(gè)晶片,從而控制各晶片發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系,實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦、偏轉(zhuǎn)、合成等,從而獲得超聲成像掃描結(jié)果[1]。

        1.2 螺栓的相控陣超聲檢測(cè)特點(diǎn)

        螺栓是一種細(xì)棒形零件,采用常規(guī)超聲方法檢測(cè)時(shí),螺紋結(jié)構(gòu)、側(cè)壁對(duì)聲波的反射會(huì)產(chǎn)生干擾波和變形波,從而影響缺陷波的識(shí)別,且縱波直探頭角度單一,容易造成漏檢[2]。

        相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)可利用扇形聲束掃描確保聲場(chǎng)對(duì)螺栓的全部覆蓋,采用多角度掃查更利于發(fā)現(xiàn)缺陷,還能通過改變聚焦深度提高檢測(cè)區(qū)域的分辨力及信噪比,并且通過圖像顯示和波形顯示相結(jié)合的方式,能更好地辨別缺陷波和干擾波。

        1.3 檢測(cè)儀器、探頭及參數(shù)設(shè)置

        試驗(yàn)設(shè)備采用OmniScan MX2相控陣儀器。探頭選用5L32一維線性陣列探頭,其間距為0.6 mm,晶片高度為10 mm。參數(shù)設(shè)置如下:采用縱波扇形掃描,扇形角度范圍和激發(fā)晶片的數(shù)量可根據(jù)螺栓規(guī)格調(diào)整,角度步進(jìn)為0.5°,掃描布局為A+S(一組或多組)。作為初始掃查,可將聚焦深度設(shè)置在易出現(xiàn)裂紋的螺紋區(qū)域,當(dāng)某個(gè)部位出現(xiàn)缺陷反射波時(shí),再將聚焦深度調(diào)整于缺陷所在位置。

        1.4 探頭零點(diǎn)、聲速及靈敏度校準(zhǔn)

        校準(zhǔn)試塊采用與被檢件材料相同的螺栓加工而成,推薦尺寸(直徑×長(zhǎng)度)為30 mm×100 mm。探頭從端面入射,在A掃顯示中找到長(zhǎng)度100 mm底面的第一次和第二次最高反射回波,來調(diào)整探頭零點(diǎn)及聲速。

        靈敏度調(diào)整可采用與螺栓材料相同的φ1 mm平底孔試塊進(jìn)行,再增加4~16 dB作為初始掃查靈敏度;亦可采用螺紋面反射波法或底波調(diào)節(jié)法。

        1.5 探頭位置及掃查方式

        通常將探頭放置在螺栓的兩個(gè)端面上實(shí)施檢測(cè)(見圖1)。初始掃查時(shí),探頭沿徑向前后移動(dòng)的同時(shí),也進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃查。

        2 缺陷的判定與分析

        2.1 螺紋根部裂紋的判定與分析

        以檢測(cè)M30×139 mm(直徑×長(zhǎng)度,下同)六角螺栓為例,當(dāng)聲束入射到無缺陷的螺栓時(shí),由于螺栓結(jié)構(gòu)特點(diǎn),反射回波及影像較為復(fù)雜,可一一判定其特性,如圖2所示。螺紋的反射波就像是許多個(gè)端角形成的反射波,在S顯示中較為清晰、排列規(guī)則整齊,反射波波幅隨著聲程的增加逐漸降低,影像從上而下、由深到淺、各自獨(dú)立。將角度光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)螺紋反射波影像,由于在A掃描顯示中只能顯示一個(gè)角度聲束,可見各反射波的組合猶如一座“山丘”,相鄰反射波波幅相差較小。旋轉(zhuǎn)探頭時(shí),螺紋面的反射波影像和波形只是隨著螺紋的旋向在聲程上發(fā)生變化,反射波的排列規(guī)則不會(huì)被打亂。干擾波、底波顯示位置固定,定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)探頭時(shí),其波形影像相同。

        圖2 無缺陷螺栓的反射波和影像

        圖3所示為在役檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋的螺栓外觀,其規(guī)格為M30×139 mm。探頭在位置1處進(jìn)行檢測(cè),聲束從螺栓頭部入射至螺紋根部裂紋處,得到的反射波形和影像如圖4所示。由圖4可見,由于齒根裂紋的產(chǎn)生增加了端角反射面積,缺陷的反射回波幅度高于螺紋反射波的[3],將A顯示中“山丘”狀排列的螺紋波破壞;在S顯示中,裂紋圖像顏色深于螺紋反射波的,裂紋波介于兩牙的反射波之間。利用光標(biāo)定位,缺陷深度顯示為85 mm。

        圖3 含齒根裂紋的M30×139 mm螺栓

        圖4 螺紋根部裂紋反射波形和影像(位置1)

        圖5 螺紋根部裂紋反射波形和影像(位置2)

        將探頭擺放在位置2處進(jìn)行檢測(cè),聲束從螺栓底部入射到根部裂紋處,得到的反射波形和影像如圖5所示。由圖5可見,在A顯示中,裂紋波波幅較大,波形尖銳陡直;在S顯示中,裂紋之后的螺紋反射面被裂紋遮蓋,螺紋影像消失或減弱;無裂紋側(cè)的螺紋波影像則顯示完整、各自獨(dú)立。利用光標(biāo)定位,裂紋深度顯示為54 mm,與位置1處的檢測(cè)深度重合。

        2.2 螺頭R角裂紋的判定與分析

        以M27×137 mm六角螺栓為例,將探頭放置在位置1處對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),前后徑向移動(dòng)探頭,利用扇形聲束的特點(diǎn),將兩側(cè)R角反射波同時(shí)顯示在S顯示中。螺栓經(jīng)機(jī)加工制成,R角圓弧反射面光滑,旋轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)時(shí),無缺陷的R角反射波波形和影像相同,如圖6所示。在其A顯示中,R角反射回波竄動(dòng)較小,波峰單一,深度顯示固定。利用光標(biāo)定位,R角顯示深度為17 mm。

        圖6 S顯示中無缺陷的R角反射波影像

        圖7 含R角裂紋的M27×137 mm螺栓

        圖8 S顯示中R角裂紋反射波影像

        圖7所示為含R角裂紋的螺栓外觀,其規(guī)格為M27×137 mm。聲束從螺頭入射至R角及裂紋處,其S顯示中R角裂紋反射波影像如圖8所示??梢?,圖8中合格R角影像與圖6中的影像基本相同,而裂紋的產(chǎn)生增大了R角區(qū)域的反射面積,形成了更有利于探頭接收的反射回波,且裂紋表面一般較毛糙,所以裂紋波形影像發(fā)生明顯畸變,經(jīng)光標(biāo)定位得到裂紋深度為18.5 mm。在A顯示中裂紋波形呈多峰狀,旋轉(zhuǎn)探頭時(shí)回波竄動(dòng)較大。

        將探頭放置在位置2處進(jìn)行檢測(cè),聲束入射到無缺陷R角區(qū)域時(shí),螺栓自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得R角反射回波無法形成,如圖9(a)所示,可見S顯示中合格R角處無反射影像;當(dāng)R角存在裂紋后,斜聲束入射到缺陷處,裂紋與螺桿在結(jié)構(gòu)上形成了有利于探頭接收反射回波的端角,R角區(qū)域有缺陷反射回波影像,如9(b)所示,缺陷深度顯示為118.5 mm。對(duì)其進(jìn)行兩頭檢測(cè)后,得到的裂紋深度位置重合。

        圖9 R角無缺陷影像和有缺陷影像對(duì)比

        3 結(jié)語

        螺栓是經(jīng)機(jī)加工而成的標(biāo)準(zhǔn)件,同種規(guī)格的螺栓直徑、導(dǎo)程角、螺距等尺寸參數(shù)都相同。在役檢測(cè)前,可對(duì)同規(guī)格的無缺陷螺栓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析,用于在役檢測(cè)時(shí)的輔助對(duì)比,可提升檢測(cè)速度,避免發(fā)生誤判、漏判。檢測(cè)過程中,通過徑向移動(dòng)和定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)探頭,并結(jié)合多角度聲束檢測(cè),使得裂紋處形成更利于探頭接收的反射回波。檢測(cè)后,通過觀察A掃描波形及S顯示圖像,可對(duì)缺陷的回波及影像特點(diǎn)進(jìn)行綜合判定與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù),定期對(duì)港機(jī)在役螺栓實(shí)施檢測(cè),對(duì)發(fā)現(xiàn)安全隱患和提高檢測(cè)效率有較大的幫助。

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