顧燕文

摘 要：螺栓作為連接部件在工業(yè)領(lǐng)域大量使用，螺栓的安全可靠直接關(guān)系到設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。螺栓無損檢測作為預(yù)防運(yùn)行螺栓斷裂失效的有效手段，具有廣闊地應(yīng)用場景。全聚焦超聲技術(shù)是近年來興起的一種新的超聲檢測方案，其在缺陷檢測分辨力、檢測近表面盲區(qū)等方面相對傳統(tǒng)的脈沖反射法超聲有明顯的優(yōu)勢。本文主要通過CIVA仿真，對全聚焦超聲檢測技術(shù)在螺栓無損檢測上的應(yīng)用進(jìn)行初步可行性研究。

關(guān)鍵詞：全聚焦;CIVA;螺栓

1、引言

螺栓作為工業(yè)現(xiàn)場中最為常用的連接部件，現(xiàn)今廣泛使用于船舶輪機(jī)、航空航天、化工設(shè)備、橋梁建設(shè)、電力能源等領(lǐng)域的大量主要設(shè)備中。螺栓在運(yùn)行中，主要存在腐蝕、裂紋和氫脆等失效斷裂，螺栓一旦在運(yùn)行中出現(xiàn)突然斷裂失效，極有可能造成無法挽回的損失和災(zāi)難性后果。螺栓的檢測主要致力于發(fā)現(xiàn)螺栓運(yùn)行過程中產(chǎn)生的裂紋等缺陷，提前消除缺陷擴(kuò)展造成螺栓斷裂失效等風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)今常用的螺栓檢測方法主要有螺栓超聲檢測法和螺栓磁粉檢測法。其中，磁粉檢測需要將螺栓完全解體，并清理干凈螺栓表面的污垢（熒光磁粉還需搭設(shè)暗室）后才具備磁粉檢測條件，在遇到設(shè)備檢修工期緊張、螺栓安裝位置不便于解體時(shí)，磁粉檢測法具有較大局限性。超聲檢測法通過對螺栓缺陷部位的聲波反射對螺栓進(jìn)行檢測，由于螺栓的結(jié)構(gòu)特殊和螺栓材料的不斷推陳出新，常規(guī)超聲檢測法在裂紋波和假信號分辨上面臨越趨嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)?；诖?，各種新興技術(shù)也在不斷開發(fā)并應(yīng)用于運(yùn)行螺栓的檢測，其中，全聚焦憑借其檢測結(jié)果的直觀和對缺陷的高分辨率受到越來越多關(guān)注。

全聚焦超聲成像技術(shù)以合成孔徑超聲成像技術(shù)為基礎(chǔ)，是近年來快速發(fā)展的一種新型超聲成像方法，全聚焦超聲成像技術(shù)能在整個(gè)成像區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)全聚焦成像，成像分辨率方面相比傳統(tǒng)的脈沖反射法超聲有明顯提升，且成像的近表面盲區(qū)也明顯小于傳統(tǒng)的脈沖反射法成像。

2、全矩陣采集全聚焦超聲技術(shù)的基本原理

全矩陣采集技術(shù)（FMC）是利用超聲相控陣探頭的一個(gè)特定的數(shù)據(jù)采集過程。對于一個(gè)N個(gè)晶片的陣列探頭，每個(gè)晶片依次激發(fā)，同時(shí)所有的晶片接收信號。這些數(shù)據(jù)被組織在一個(gè)包含了所有采集信號的矩陣中。探頭中所有的發(fā)射和接收陣元的所有可能的A掃信號，在所有的初始的信號被采集完畢后，就能通過加載一定的延時(shí)法則進(jìn)行離線處理。

TFM是一種信號處理算法利用FMC模式所采集的數(shù)據(jù)。首先確定一個(gè)合理的檢測區(qū)域用于數(shù)據(jù)重建。然后將檢測區(qū)域進(jìn)行空間離散化成為一個(gè)網(wǎng)格，對于這個(gè)網(wǎng)格區(qū)域中的每一點(diǎn)，聚焦法則的計(jì)算都基于相控陣探頭的晶片位置。所有的記錄信號都是時(shí)移量，并且與每一個(gè)點(diǎn)相對與探頭發(fā)射和接收晶片的距離要求和相對應(yīng)，當(dāng)檢測區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)重建完成時(shí)整個(gè)循環(huán)結(jié)束，其波幅表示為：

當(dāng)采用直射波模式時(shí)，假設(shè)聚焦點(diǎn)為P（x，y），聲波從探頭中的第i個(gè)陣元激發(fā)并被第j個(gè)陣元接收，設(shè)聲速為c，聲波傳輸?shù)絇（x，y）點(diǎn)所用時(shí)間為[1]

當(dāng)采用一次反射模式時(shí)，假設(shè)聚焦點(diǎn)為P（xp，yp），底面反射點(diǎn)為R（xr，yr），聲波傳輸?shù)絇（x，y）點(diǎn)所用時(shí)間為

其中C1為直射波的聲速，C2為一次反射波的聲速。

3、模擬仿真

CIVA模擬軟件的超聲模擬模塊主要由檢測聲場計(jì)算和預(yù)設(shè)缺陷響應(yīng)兩大功能組成，本次螺栓仿真主要使用的是其中的缺陷響應(yīng)功能，它能夠在工件內(nèi)部設(shè)置各種型式、規(guī)格的缺陷，并將缺陷放置在工件中的任意位置。此外，CIVA軟件還可依據(jù)實(shí)驗(yàn)需要添置任意規(guī)格的探頭、楔塊組合，設(shè)置對應(yīng)的聚焦法則、檢測面探頭擺放位置和移動軌跡。

本文主要針對運(yùn)行螺栓常見的裂紋斷裂失效形式進(jìn)行仿真模擬。由于螺栓運(yùn)行中產(chǎn)生的裂紋大部分出現(xiàn)在螺紋根部，并逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂失效，本次仿真的裂紋缺陷均設(shè)置在裂紋根部。

1）CIVA仿真螺栓工件

本次仿真使用的工件為常見的雙頭螺紋螺栓，按照實(shí)物比例進(jìn)行3D制圖，如圖1所示。

2）CIVA仿真相控陣探頭參數(shù)

本次CIVA仿真使用的相控陣探頭選擇無楔塊，具體參數(shù)如下：①相控陣探頭頻率為7.5MHz;②相控陣探頭晶片數(shù)量選擇32個(gè);③相控陣探頭晶片寬度設(shè)置為0.4mm;④相控陣探頭間隙值選擇0.1mm;⑤相控陣探頭整個(gè)孔徑長度設(shè)置15.9mm，整個(gè)孔徑寬度設(shè)置為10mm。

3）相控陣探頭和螺栓工件缺陷位置

本次仿真的檢測面選擇雙頭螺紋螺栓兩個(gè)端面其中之一。螺栓工件的缺陷設(shè)置在螺栓螺紋側(cè)的螺紋根部（據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分運(yùn)行螺栓斷裂失效均因螺紋根部產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)生裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂失效），如圖2所示。

4、CIVA模擬仿真結(jié)果

1）螺紋根部單個(gè)缺陷的CIVA仿真

在螺栓工件的任一螺紋端隨機(jī)選擇一處螺紋根部位置，在此處設(shè)置一個(gè)長條形缺陷模塊

模擬螺紋根部裂紋。在上述相控陣探頭參數(shù)條件下通過全聚焦相控陣模式對此預(yù)設(shè)缺陷模塊進(jìn)行全聚焦檢測仿真，CIVA仿真運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可見，預(yù)設(shè)缺陷模塊部位有明顯的缺陷響應(yīng)信號，并且缺陷信號能準(zhǔn)確顯示在提前加載的螺栓工件上，檢測結(jié)果清晰明了。

2）螺紋根部多個(gè)缺陷的CIVA仿真

在螺栓工件的一側(cè)螺紋的所有螺紋根部位置均預(yù)先設(shè)置1處缺陷模塊，缺陷位置均位于

同一螺栓縱切面上，通過相控陣全聚焦模式對所有缺陷進(jìn)行檢測仿真，CIVA仿真運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可見，所有設(shè)置缺陷部位均有響應(yīng)信號，近探頭部位的螺紋根部缺陷，響應(yīng)信號相對較弱，所有缺陷均能清晰分辨，并能準(zhǔn)確顯示在加載工件的對應(yīng)部位。

5、在役螺栓實(shí)物檢測

選擇與Civa模擬仿真一致的探頭參數(shù)，檢測選用一維線性陣列探頭，檢測區(qū)域設(shè)置在容易出現(xiàn)裂紋的螺紋區(qū)域，靈敏度調(diào)節(jié)選用不同深度φ1橫通孔做TCG，調(diào)節(jié)完基準(zhǔn)靈敏度后再增加6dB作為初始掃查靈敏度檢測設(shè)備選用法國儀器GEEKO，考慮到在役螺栓檢測的具體要求，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用直探頭對本側(cè)螺栓螺紋進(jìn)行檢測。

5.1實(shí)物檢測

5.1.1 無缺陷螺栓螺紋檢測

當(dāng)聲束從螺栓頭部進(jìn)入無缺陷的螺紋部位，反射回波如圖5所示，圖5左側(cè)是T掃圖像，右側(cè)是A掃，T掃顯示比較直觀，螺紋能夠清晰顯示，螺紋與螺紋之間等間距顯示，螺紋反射波有規(guī)則排列，由上向下反射波影響由深變淺。

5.1.2 有缺陷螺栓螺紋檢測

當(dāng)聲束從螺栓頭部進(jìn)入有缺陷的螺紋部位，缺陷反射回波及無缺陷螺紋回波如圖6所示，由圖6可以看出：由T掃顯示，螺紋側(cè)有顯示有明顯擔(dān)任“空缺”，裂紋處螺紋反射與超聲入射方向近似平行，導(dǎo)致反射當(dāng)量比較兄;通過定位可以確定缺陷位置下距離螺栓頭部65mm處。

6、結(jié)論

本文選用雙頭螺紋螺栓進(jìn)行了CIVA模擬仿真，分別在螺栓工件單處螺紋根部位置和多處螺紋根部位置，預(yù)置相同缺陷模塊（1mm×3mm長方條，模擬裂紋缺陷），通過相控陣全聚焦運(yùn)行檢測得出如下結(jié)論：

1）工件螺紋根部的單個(gè)或多個(gè)缺陷模塊均能在全聚焦相控陣檢測模式下產(chǎn)生明顯聲波反射信號;

2）全聚焦相控陣檢測模式能同時(shí)對同一螺栓縱切面上的，不同螺紋高度的缺陷模塊進(jìn)行檢測;所有缺陷模塊均有明顯聲波反射信號，各個(gè)缺陷模塊能清晰分辨，且缺陷模塊的聲波響應(yīng)強(qiáng)度隨著缺陷模塊距離相控陣探頭的垂直距離增加而增強(qiáng);

3）全聚焦相控陣檢測技術(shù)能通過預(yù)先加載工件模型的方式，實(shí)時(shí)標(biāo)識出相應(yīng)缺陷模塊在對應(yīng)工件中的具體位置，缺陷定位清晰明了

4）全聚焦相控陣超聲可應(yīng)用于在役螺栓檢測，可有效檢測出螺紋部位危害型缺陷裂紋

通過仿真結(jié)果可知，全聚焦相控陣檢測技術(shù)在螺栓檢測中的應(yīng)用是可行的。隨著全聚焦相控陣檢測技術(shù)的不斷突破發(fā)展，其在在螺栓檢測上將會有更廣闊的前景。

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