肖波

湖南火電建設(shè)有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

緊固螺栓主要應(yīng)用于火電廠重要機(jī)械部件連接位置，其通常情況下處于高應(yīng)力、高溫環(huán)境，預(yù)緊力較大。螺栓的部件極易出現(xiàn)裂紋，發(fā)生斷裂，這使得火電廠工作排查重點(diǎn)是嚴(yán)格檢測(cè)螺栓部件，及時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)小損傷和裂紋。因此，有必要分析相控陣檢測(cè)方式在緊固螺栓檢測(cè)中的應(yīng)用，為檢修工作提供技術(shù)支持。

1 相控陣檢測(cè)概述

緊固螺栓常見的檢測(cè)方式是超聲檢測(cè)或表面檢測(cè)，這些方式可以發(fā)現(xiàn)深度超過1mm的裂紋，但信噪比和靈敏度不高[1]。而相控陣檢測(cè)技術(shù)屬于新式的無(wú)損檢測(cè)模式，當(dāng)探頭固定時(shí)，利用軟件可以調(diào)整聲束的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度，掃查螺栓截面。借助聚焦功能提升檢測(cè)工作的信噪比、靈敏度、分辨力，提高技術(shù)可靠性，保持信息數(shù)據(jù)，通過多種投影方向得到檢測(cè)圖形。超聲陣列換能器是開展檢測(cè)工作的關(guān)鍵設(shè)備，其可以在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)發(fā)出超聲束。借助惠更斯原理，能夠合成疊加超聲子波束，此過程相當(dāng)于相控陣發(fā)射階段。相控陣主要特點(diǎn)是通過軟件調(diào)節(jié)超聲波束，借助聚焦和偏轉(zhuǎn)形式對(duì)緊固螺栓完成檢測(cè)。

2 火電廠緊固螺栓相控陣檢測(cè)過程分析

2.1 縱波扇掃

（1）設(shè)備分析。傳統(tǒng)超聲波螺紋檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)出槽深超過1mm的裂紋，不過其齒面和結(jié)構(gòu)面上會(huì)出現(xiàn)干擾波、變形波，降低檢測(cè)信噪比。利用相控陣檢測(cè)方式可以實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦、掃查、偏轉(zhuǎn)，在固定探頭基礎(chǔ)上針對(duì)缺陷區(qū)域完成掃查，完成視圖成像，識(shí)別和判定缺陷。本課題將火電廠主蒸汽發(fā)生器內(nèi)的緊固螺栓當(dāng)作檢測(cè)對(duì)象，其包含EDM槽。針對(duì)1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#螺栓完成相控陣檢測(cè)，其探頭在螺栓端部，內(nèi)部第一晶片處于螺栓內(nèi)圓心位置，可以完成縱波0-75°的掃查。課題中選擇Phascan（32/64）型號(hào)的超聲相控陣檢測(cè)儀開展工作，由于探頭需要放置在端面位置，進(jìn)而完成縱波扇掃檢測(cè)工作，因此建議選取一維線性陣列探頭。其參數(shù)如下：陣元個(gè)數(shù)是32，頻率是5MHz，其間距是0．6mm。探頭孔徑最大值是32mm×0．6mm×10mm，其激發(fā)陣元數(shù)量是32，且扇掃的角度步進(jìn)值為0．5°。

（2）螺栓檢測(cè)過程。本課題主要對(duì)帶有中心孔的螺栓進(jìn)行檢測(cè)，其步驟如下：（1）將探頭置于螺栓端面平整位置，與中心孔間隔一段距離。（2）采取環(huán)繞掃查的方式，使聲束豎向發(fā)射至螺栓內(nèi)部，對(duì)其進(jìn)行整體檢測(cè)。（3）獲取螺栓完整清晰的扇掃圖像。相控陣列借助偏轉(zhuǎn)和聚焦的方式，利用反射波顯示圖像。若掃射完成后螺栓無(wú)裂紋，則可以清晰反映螺紋信號(hào)。正常情況下信號(hào)間隔均勻，隨著掃射深度的增加，其顏色逐漸變淺。（4）如果螺紋中出現(xiàn)裂紋會(huì)破壞螺栓信號(hào)，其中會(huì)產(chǎn)生異常信號(hào)，圖像中深顏色區(qū)域?qū)儆诹鸭y區(qū)，且裂紋深度和獲取信號(hào)的幅度密切相關(guān)。通過對(duì)螺紋端面130mm的位置進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，信號(hào)可以發(fā)射至深度是0．5mm的刻槽裂紋，該技術(shù)信噪比、靈敏度較高。當(dāng)檢測(cè)深度相同時(shí)，人工刻槽尺寸和回波幅度密切相關(guān)，因此缺陷圖像的顏色較深。

2.2 螺栓橫波斷面檢測(cè)

若需要檢測(cè)中心孔內(nèi)部或在螺栓端面中無(wú)法放置縱波垂直探頭時(shí)，應(yīng)借助相控陣探頭完成橫波檢測(cè)[2]。該過程的工具主要選擇線性一維探頭，參數(shù)包含以下內(nèi)容：頻率設(shè)置為2．5mMHz，陣元數(shù)量是16。其扇掃面角度范圍是35°-70°，步進(jìn)值0．5°，螺栓表面的曲率和探頭楔塊相互對(duì)應(yīng)。主要檢測(cè)過程如下：（1）在螺栓的光桿位置放置陣列探頭，將螺栓下側(cè)作為檢測(cè)部位，通過移動(dòng)探頭找尋螺紋的反射波。正常情況下會(huì)產(chǎn)生大約10個(gè)螺紋波，其中不會(huì)出現(xiàn)明顯雜波。（2）調(diào)節(jié)螺紋最大的反射波，提升3dB優(yōu)化其靈敏度，環(huán)繞螺栓完成檢查。（3）若扇掃過程中出現(xiàn)回波異常信號(hào)且存在色差，則說(shuō)明螺栓位置出現(xiàn)裂紋。

2.3 檢測(cè)結(jié)果分析

第一，圖像顯示效果強(qiáng)于波形類型，且通過控制聲束方向、焦點(diǎn)深度、焦點(diǎn)尺寸，提升了檢測(cè)靈敏度、信噪比和分辨力。經(jīng)過檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#螺栓相控陣檢測(cè)后，當(dāng)其探頭處于螺栓端部時(shí)，縱波扇掃范圍是0-75°，可以檢測(cè)出深度是70mm，寬度是0．2mm的裂紋。

第二，經(jīng)過檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，人工刻槽周邊螺紋信號(hào)急劇降低，直至第五個(gè)信號(hào)才恢復(fù)正常，可以借助信號(hào)實(shí)際情況分析異常情況，通常情況下螺紋信號(hào)間隔是4mm。因此，相控陣橫波檢測(cè)螺栓在定位和定量方面均可以滿足靈敏度和標(biāo)準(zhǔn)需求，能夠提升缺陷查找效率。

第三，超聲相控陣掃查階段，到達(dá)螺紋的波束相當(dāng)于聚焦主聲束，其聲壓超過直探頭位置的副瓣，因此能夠極大程度地提升該技術(shù)靈敏性。同時(shí)，相控陣聲束的角度可任意調(diào)整，進(jìn)而向螺紋根部裂紋完成垂直檢測(cè)，提高裂紋反射率和信噪比。相控陣能夠借助扇形圖像顯示不同角度的反射波，在檢測(cè)過程中螺紋信號(hào)清晰、穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)雜波問題，間隔穩(wěn)定。若螺紋中出現(xiàn)裂紋，會(huì)產(chǎn)生異常信號(hào)，該信號(hào)在圖像中存在色差。因此，可以借助相控陣完成扇掃圖像，能夠得出螺紋的二維圖像，準(zhǔn)確識(shí)別缺陷，提升檢測(cè)工作的可靠性和準(zhǔn)確度[3]。

3 結(jié)論

經(jīng)過檢測(cè)試驗(yàn)分析，火電廠緊固螺栓相控陣檢測(cè)模式可以分析出深度是70mm，寬度是0．2mm的加工裂紋缺陷。同時(shí)，借助手動(dòng)方式在螺栓端面完成扇形掃查，檢測(cè)范圍為6mm-7mm，能夠有效提升信噪比，提高裂紋的可識(shí)別度，檢測(cè)結(jié)果可靠穩(wěn)定，且相控陣檢測(cè)方式具有較強(qiáng)的靈敏度，便于應(yīng)用和推廣。