王瑞璇，丘國平，劉宇哲

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

螺栓作為各種設(shè)備的連接件，是工業(yè)裝備中的標(biāo)準(zhǔn)配件之一[1-2]。在電力行業(yè)，螺栓在高溫高壓、振動(dòng)等各種惡劣工況下服役，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋擴(kuò)展到一定程度，就可能導(dǎo)致螺栓脆性斷裂，造成重大安全事故，嚴(yán)重威脅人員及機(jī)組安全[1,22]。

目前常規(guī)的無損檢測方法主要有五種：射線檢測、滲透檢測、超聲檢測、磁粉檢測和渦流檢測[3]。其中射線檢測對(duì)于裂紋的檢測效果較差，而磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測只能檢測表面和近表面缺陷，對(duì)于內(nèi)部裂紋無能為力；故相對(duì)而言，超聲檢測是一種更適用于螺栓裂紋的檢測手段。通過理論和試驗(yàn)研究，探索一種有效可行的超聲波檢測方案，實(shí)現(xiàn)在役螺栓的檢測，對(duì)機(jī)組安全生產(chǎn)具有重要意義。

Inconel783合金是一種抗氧化且具有低熱膨脹系數(shù)的超合金。隨著超超臨界技術(shù)的興起與發(fā)展，該合金被用于制造超超臨界組高溫螺栓等主要部件。相比于其他低膨脹高溫合金，該合金含有較高成分的Al，顯著提高了合金的抗日氧化能力和強(qiáng)度金Cr含量的減少，使之熱膨脹系數(shù)進(jìn)一步降低。Inconel783螺栓為帶有中心孔的柔性螺栓，其螺紋部與腰部結(jié)合處存在縮頸，這使得常規(guī)超聲檢測方法受到明顯的雜波干擾。螺栓常規(guī)超聲檢測的主流方法是采用常規(guī)直探頭與小角度縱波斜探頭進(jìn)行檢測[1]，目前應(yīng)用廣泛，但其亦存在著不可忽視的劣勢，主要體現(xiàn)在：

(1)常規(guī)探頭的檢測效率較低；

(2)螺栓多數(shù)幾何形狀為細(xì)長結(jié)構(gòu)，超聲縱波的側(cè)壁干涉效應(yīng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致靈敏度下降。

(3)雖然螺栓裂紋多數(shù)為走向簡單的環(huán)向裂紋，但由于存在螺紋、腰部結(jié)構(gòu)反射波，疊加縱波、橫波的波形轉(zhuǎn)換的干擾，缺陷的識(shí)別具有一定難度。

1 研究方法

1.1 超聲相控陣導(dǎo)波檢測原理

(1)導(dǎo)波檢測技術(shù)

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若介質(zhì)中有兩個(gè)或以上的界面存在，超聲波將發(fā)生來回反射，這些往返的波將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波型轉(zhuǎn)換，波與波之間還發(fā)生干涉[4,10-11,20]。比較典型的導(dǎo)波介質(zhì)包括圓柱殼、桿和層狀的彈性體等[5,18]。超聲波在圓桿導(dǎo)波中的傳播具有多模態(tài)、頻散的特性，通過求解頻率方程可以得到導(dǎo)波各個(gè)模態(tài)的相速度和群速度[6,12,21]。在同一頻率下，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)或以上的模態(tài)，并且各模態(tài)具有不同的群速度以及不同程度的頻散，即群速度隨著頻率的變化而變化，波形混雜，難以用于檢測缺陷[6,13-15]；但低頻段的L(0，1)模態(tài)，速度最快，通?？梢杂米鳈z測信號(hào)[7,16,19-20]。

(2)相控陣檢測技術(shù)

相控陣技術(shù)來源于電磁波雷達(dá)技術(shù)[17,23-25]。相控陣探頭由多個(gè)獨(dú)立工作的壓電晶片按照一定的要求組成陣列，計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)晶片的相位延時(shí)實(shí)現(xiàn)電子控制，使探頭發(fā)射和接收可控方向、聚焦等參數(shù)的超聲波束[26-27]，如圖1所示。通過電子控制聲束的位置和方向，就能實(shí)現(xiàn)多聲束檢測和電子掃查，提高了探頭的掃查覆蓋能力，降低了空間位置對(duì)機(jī)械掃查的局限[2]；多個(gè)方向的聲束檢測能提高超聲波對(duì)不同方位裂紋的檢測能力[4,14]。

圖1 相控陣合成聲束示意

1.2 Inconel783螺栓中超聲柱面導(dǎo)波的傳播

導(dǎo)波的一個(gè)最重要特征是各模態(tài)具有不同的特性[8]，同一模態(tài)在不同周期和不同頻率下傳播的特征也不同，這種特性與鋼桿自身以及檢測系統(tǒng)選取等有關(guān)。在空心圓柱狀物體中傳播的導(dǎo)波存在3種模態(tài)，即縱向軸對(duì)稱模態(tài)(L模態(tài))、扭轉(zhuǎn)模態(tài)(T模態(tài))和彎曲模態(tài)(F模態(tài))[9,12]。在螺栓導(dǎo)波檢測中，分析最佳模態(tài)參數(shù)，可確定激發(fā)聲波的最佳頻率和最優(yōu)周期，從而提高螺栓以及缺陷的檢測質(zhì)量[11]。圖2、圖3為通過計(jì)算得到的置于空氣中M72×330螺栓的超聲柱面導(dǎo)波頻散曲線。圖4、圖5為通過計(jì)算得到的置于空氣中M90×385螺栓的超聲柱面導(dǎo)波頻散曲線。

圖2 M72螺栓超聲柱面導(dǎo)波群速度頻散曲線

圖3 M72螺栓超聲柱面導(dǎo)波相速度頻散曲線

圖4 M90螺栓超聲柱面導(dǎo)波群速度頻散曲線

圖5 M90螺栓超聲柱面導(dǎo)波相速度頻散曲線

從以上超聲柱面導(dǎo)波相速度頻散曲線可見，0～5MHz的范圍內(nèi)，除L(0，X)模態(tài)以外，其他的頻散曲線均有截止頻率，這就使得L(0，X)模態(tài)具有更寬的頻率范圍、更強(qiáng)的獨(dú)立性；圖6中波1的成分為L(0，1)，根據(jù)表1的聲速計(jì)算結(jié)果，可見L(0，1)模態(tài)具有更高的速度，可以在回波分析中更加明顯，適用于螺栓裂紋檢測；在5MHz時(shí)導(dǎo)波軸向位移主要集中在桿內(nèi)部，基本不受外部介質(zhì)影響，圖7為該狀態(tài)下的波包形狀(黃色部分)，相比同一模態(tài)其他頻率下的導(dǎo)波，衰減更小，可以傳播更遠(yuǎn)的距離，故可以用來檢測螺栓。

圖6 特定高頻下的導(dǎo)波實(shí)測波包形狀

表1 波包中反射波波速

圖7 5MHz導(dǎo)波成分衰減對(duì)比

1.3 螺栓超聲柱面導(dǎo)波相控陣檢測系統(tǒng)開發(fā)

基于以上理論分析，項(xiàng)目組自主組裝了一套超聲導(dǎo)波螺栓無損檢測系統(tǒng)(如圖8所示)。包括：HSPA20-Ae(Bolt)16/64陣元相控陣專用檢測儀；高頻64陣元環(huán)型一維線陣相控陣探頭。

主機(jī)參數(shù)如下：

(1)具有16∶64 相控合成(激發(fā)陣元數(shù)∶至少64個(gè)，接收陣元數(shù)∶至少16個(gè))；

(2)全程動(dòng)態(tài)聚焦；顯示屏為8.4英寸 24位真彩顯示，分辨率1024×768；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：內(nèi)部32GB ，外接USB可直接存儲(chǔ)；

(3)供電方式：AC220-DC15V交流適配器，11.1V鋰電池；系統(tǒng)帶寬：0.5～15MHz(-3dB)；

(4)數(shù)字化頻率：100MHz 8bit；掃查圖像：A/C/S/L；S掃線束：256；脈沖激發(fā)方式：負(fù)方波，脈沖寬度為30～500ns(步進(jìn)10ns)；發(fā)射電壓為50～100V；

(5)增益調(diào)節(jié)范圍：0～110dB，調(diào)節(jié)精度最小0.1dB。

探頭參數(shù)如下：陣元形式：環(huán)形一維線陣；陣元數(shù)量：64陣元；探頭頻率：依據(jù)頻散曲線選擇2～10MHz；探頭直徑：探頭外徑小于螺栓外徑2～5mm。

1.4 Inconel783螺栓模擬試塊的制備

本項(xiàng)目共制作了5個(gè)螺栓模擬試塊。其中1個(gè)為完好螺栓，未加工缺陷；另外4個(gè)螺栓均在外壁分別加工了2處人工缺陷，缺陷信息如表2所示。表2中的“缺陷深度”指缺陷與螺栓中心孔側(cè)端面的最小距離。

表2 螺栓試塊與缺陷信息

1.5 螺栓缺陷的檢測實(shí)驗(yàn)

首先在無缺陷螺栓試塊上進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖9所示?？梢妼?dǎo)波的傳播特性使螺紋回波的干擾基本消失。但由于螺栓結(jié)構(gòu)反射的原因，腰部一直存在幅值不可忽略的固有回波顯示，對(duì)檢測造成輕微的干擾。但是在轉(zhuǎn)動(dòng)探頭的過程中，結(jié)構(gòu)的固有回波是不變的，而缺陷波必定在探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中同時(shí)移動(dòng)，以此方法可以分辨缺陷波。

再分別對(duì)每一個(gè)有缺陷螺栓試塊進(jìn)行檢測，記錄檢測到的缺陷信息。缺陷的信息包括位置、波幅、長度；其中位置包括深度(與探頭端面的距離)、周向位置(以晶片位置指示)。各缺陷的信息按照以下方法確定并記錄：

(1)軸向距離：在聲程數(shù)據(jù)欄(S)直接讀數(shù)；

(2)周向位置：將閘門移動(dòng)至缺陷處，在環(huán)形探頭示意圖上會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的晶片，按照晶片序號(hào)(Cur)在實(shí)際探頭上可以找到對(duì)應(yīng)位置并記錄；

(3)波幅：將閘門移動(dòng)至缺陷最高波處，從A掃信號(hào)中讀取峰值波幅；

(4)長度：將閘門依次移動(dòng)至缺陷兩端的位置，按照6dB法進(jìn)行端點(diǎn)定位，然后分別讀取周向位置數(shù)據(jù)欄(L)數(shù)字，相減即得缺陷長度。

2 結(jié)果與討論

按照以上方法對(duì)螺栓試塊的人工缺陷分別進(jìn)行檢測，結(jié)果如下：在對(duì)1號(hào)螺栓試塊的檢測中共發(fā)現(xiàn)了2處缺陷。

在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)第1個(gè)缺陷的位置是距離端面(中心孔端)87.3mm處，波幅為增益26dB(A)時(shí)滿屏87.8%，如圖10所示；此時(shí)對(duì)應(yīng)的是37號(hào)晶片，在探頭上找到對(duì)應(yīng)位置，可記錄缺陷在螺栓的周向位置；再測定右端點(diǎn)的位置0.71mm，如圖11所示；再測定左端點(diǎn)的位置-13.01mm，如圖12所示，則計(jì)算得到缺陷長度為13.72mm。

檢測中發(fā)現(xiàn)第2個(gè)缺陷的位置是距離端面(中心孔端)172.42mm處，波幅為增益26dB(A)時(shí)滿屏36.9%，如圖13所示。由于缺陷回波在結(jié)構(gòu)回波中不明顯，因此轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，再進(jìn)行檢測，如圖14所示，回波明顯，波幅24dB(A)，80.8%。

對(duì)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)螺栓試塊的檢測步驟同1號(hào)試塊，不再贅述。檢測出的缺陷信息匯總?cè)绫?所示。在本項(xiàng)目的螺栓超聲柱面導(dǎo)波相控陣檢測中，深度誤差最大為1.86mm(2%)以內(nèi)，長度誤差最大為1.97mm(9%)，達(dá)到了較高的準(zhǔn)確度。

圖9 底波與腰部結(jié)構(gòu)回波

圖10 缺陷1-1波形，最高波幅

圖11 缺陷1-1波形，右端點(diǎn)

圖12 缺陷1-1波形，左端點(diǎn)

圖13 缺陷1-2波形，轉(zhuǎn)動(dòng)探頭前

圖14 缺陷1-2波形，轉(zhuǎn)動(dòng)探頭后

表3 模擬試塊上測得的缺陷信息與實(shí)際缺陷信息對(duì)比

3 結(jié)論

(1)對(duì)螺栓中的超聲柱面導(dǎo)波的頻散曲線進(jìn)行了分析，得出檢測時(shí)采用5MHz的L(0,1)模態(tài)的柱面導(dǎo)波模式能得到較好的檢測效果。

(2)研發(fā)了螺栓超聲柱面導(dǎo)波相控陣檢測系統(tǒng)，采用16/64陣元相控陣檢測儀和高頻、64陣元環(huán)形一維線陣相控陣探頭，滿足現(xiàn)場檢測的需要。

(3)對(duì)螺栓中的人工缺陷進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，檢測結(jié)果和缺陷真實(shí)信息吻合度較高，表明了超聲柱面導(dǎo)波相控陣檢測系統(tǒng)對(duì)于Inconel783螺栓裂紋的檢測具有實(shí)用價(jià)值。