李東風(fēng)，程勝金，高志萌

(水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044)

高強(qiáng)螺栓聯(lián)接廣泛應(yīng)用在水利、電力等行業(yè)。在這些行業(yè)中許多重要部件都是通過螺栓來進(jìn)行聯(lián)接的。高強(qiáng)螺栓使用中受到的工況和載荷情況非常惡劣和復(fù)雜，特別是在役水工鋼閘門使用的高強(qiáng)螺栓，在運(yùn)行過程中不僅承受復(fù)雜的應(yīng)力，還承受著腐蝕、溫度變化帶來的不利影響[1]，易產(chǎn)生疲勞裂紋而斷裂。水利工程在役水工鋼閘門高強(qiáng)螺栓的斷裂失效部位主要在螺栓螺紋的根部裂紋和螺帽R角裂紋。螺栓一旦發(fā)生疲勞斷裂，會(huì)引起設(shè)備破壞，進(jìn)而引發(fā)重大工程安全事故。另外在役水工鋼閘門在水利工程運(yùn)行中，受水動(dòng)力的影響而產(chǎn)生振動(dòng)；高強(qiáng)螺栓承受交變載荷易產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋屬于脆性破壞，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，易引起突發(fā)事故[3]。因此，對(duì)螺栓進(jìn)行定期的內(nèi)部和表面質(zhì)量安全檢測(cè)是非常有必要的。

目前，在役高強(qiáng)螺栓內(nèi)部質(zhì)量常規(guī)無損檢測(cè)方法是將其拆卸清洗后，再進(jìn)行常規(guī)的超聲波和磁粉檢測(cè)，對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。但在水利工程中在役水工鋼閘門高強(qiáng)螺栓受工況的影響，無法進(jìn)行拆卸，常規(guī)無損檢測(cè)方法存在一定的局限性[4]。

本文針對(duì)水利工程在役高強(qiáng)螺栓運(yùn)行實(shí)際情況，在不拆卸的前提下，采用超聲波相控陣無損檢測(cè)技術(shù)，首先利用聲場(chǎng)仿真軟件和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)螺栓人工刻槽缺陷進(jìn)行試驗(yàn)和校驗(yàn)，并通過實(shí)際工程檢測(cè)應(yīng)用，驗(yàn)證超聲相控陣線性陣列和菊花陣列2種不同的方法檢測(cè)在役水工鋼閘門高強(qiáng)螺栓裂紋檢測(cè)的有效性。

1 超聲波相控陣檢測(cè)原理和優(yōu)勢(shì)

超聲波相控陣檢測(cè)基本原理是通過改變換能器中各個(gè)晶片激發(fā)和接受脈沖的延遲時(shí)間[3]，來改變各個(gè)晶片發(fā)射聲波到達(dá)物體內(nèi)部某一點(diǎn)的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)聲速方向的改變和聚焦使相控陣波束聚集在一起，形成掃描成像。采用相控陣的縱波扇形掃查檢測(cè)螺栓，掃查角度設(shè)定為-30°～30°縱波垂直入射可以覆蓋到螺紋的整個(gè)區(qū)域，通過調(diào)節(jié)相控陣的脈沖發(fā)射頻率、發(fā)射能量、采樣頻率、濾波器頻率、增益等參數(shù)，能夠更好地分辨出人工裂紋刻槽缺陷。

常規(guī)的超聲波檢測(cè)螺栓主要用的是縱波直探頭，但縱波直探頭檢測(cè)有很多問題是難以避免的，比如裂紋具有方向性，如果是縱向裂紋就很容易造成漏檢，檢測(cè)不可靠。由于螺栓幾何形狀的特殊性，螺紋的反射回波干擾很多，難以辨別哪個(gè)是缺陷波和螺紋根部反射波。

采用相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)螺栓內(nèi)部的裂紋缺陷，能夠解決常規(guī)超聲波檢測(cè)時(shí)遇到的各種問題。超聲波相控陣技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)檢測(cè)結(jié)果直觀，便于對(duì)缺陷進(jìn)行分析和判斷。直觀的圖像顯示比波形顯示要好，對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，從圖像上面就可以分辨出哪個(gè)是缺陷圖像哪個(gè)是螺紋反射回波圖像。相控陣探頭工作時(shí)多個(gè)晶片同時(shí)激發(fā)，大大提高缺陷檢出率，檢測(cè)可靠性高。

(2)對(duì)螺栓這種復(fù)查幾何形狀的工件進(jìn)行檢測(cè)具有良好的聲速可達(dá)性。通過對(duì)焦點(diǎn)尺寸的控制和聲束方向以及焦點(diǎn)深度，提高檢測(cè)分辨力、信噪比和靈敏度等性能[6- 9]。

2 螺栓檢測(cè)方法及結(jié)果分析

2.1 螺栓試樣設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)要求，采購了一根內(nèi)部質(zhì)量完好的螺栓，使用清洗劑將螺栓上面的油污雜質(zhì)清洗干凈，然后使用線切割在螺栓試樣上面加上人工刻槽缺陷模仿裂紋，人工缺陷在螺栓上的位置尺寸如圖1所示。

圖1 人工刻槽位置示意圖

人工刻槽均為垂直于螺栓中心軸線的橫向刻槽，螺栓的編號(hào)為1#，材質(zhì)為45Cr，缺陷F1在螺紋根部、F2在螺紋與螺桿交界處，F(xiàn)3在螺桿處，F(xiàn)4在螺桿與螺頭交界處(R角處)，這4種缺陷位置均為工程實(shí)際中容易出現(xiàn)的典型部位。螺栓刻槽位置和深度參數(shù)見表1。

表1 螺栓試驗(yàn)人工刻槽參數(shù) 單位：mm

2.2 線性陣列探頭扇形掃查

超聲相控陣線性陣列掃查設(shè)備選用便攜式相控陣設(shè)備，該設(shè)備分辨率800×600像素；工作環(huán)境溫度：-10～45℃；1個(gè)相控陣接口，2個(gè)UT接口；256個(gè)聚焦法則；16個(gè)孔徑，64個(gè)晶片；相控陣通道激勵(lì)電壓范圍40～115V，脈沖寬度范圍30～500ns;增益范圍0～80dB，最大輸入信號(hào)為550mVp-p(滿屏高度);系統(tǒng)帶寬0.6～18MHz。

選用線性陣列探頭進(jìn)行檢測(cè)，掃描設(shè)置為扇形掃查，掃查范圍：-30°～30°，陣元數(shù)量32個(gè)，激發(fā)陣元為16個(gè)，掃查角度步進(jìn)為1°激勵(lì)電壓80，采樣率40。

將設(shè)備連接并調(diào)試好之后，涂上耦合劑放探頭于螺栓的A面，對(duì)41、81、114、141mm處的深度為1mm的人工刻槽進(jìn)行相控陣縱波扇形檢測(cè)，檢測(cè)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)探頭一周找到人工刻槽的最高回波位置，然后將回波降至滿屏高度的80%作為基準(zhǔn)靈敏度，如圖2所示，4個(gè)不同深度位置的人工刻槽反射回波相控陣成像圖譜。

圖2 不同深度處的人工刻槽反射回波圖像(線性陣列探頭)

以螺栓A面作為檢測(cè)面，調(diào)節(jié)閘門位置，使閘門套住41mm處的人工刻槽缺陷回波，將回波調(diào)至滿屏刻度的80%作為基準(zhǔn)靈敏度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的增益為47dB，81mm處的人工刻槽缺陷對(duì)應(yīng)的波高為67%，并且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出其深度位置，114mm和141mm處的人工刻槽缺陷的回波低于20%，并且相控陣檢測(cè)系統(tǒng)顯示無法探出，如圖2(a)所示。再次調(diào)節(jié)閘門位置，使得閘門套住141mm處深度為1mm的人工刻槽缺陷，將波幅調(diào)節(jié)至滿屏刻度的80%處作為基準(zhǔn)波高，此時(shí)對(duì)應(yīng)的增益為63dB，并且4處人工刻槽缺陷均能檢測(cè)出來，114mm處刻槽對(duì)應(yīng)的波高超過滿屏的100%，41mm和81mm處刻槽對(duì)應(yīng)的波高均超過250%，但能夠明顯和螺紋根部反射回波區(qū)分開如圖2(d)所示。

2.3 菊花陣列探頭扇形掃查

選用菊花陣列探頭進(jìn)行檢測(cè)，中心頻率5MHz，陣元外徑26mm，外徑12mm，陣元數(shù)量64。掃描設(shè)置為扇形掃查，掃查范圍：-30°～30°，激發(fā)陣元為16個(gè)，掃查角度步進(jìn)為1°激勵(lì)電壓115，采樣率33。

采用和線陣探頭同樣的檢測(cè)方法，對(duì)螺栓的A面對(duì)41、81、114、141mm處的深度為1mm的人工刻槽進(jìn)行相控陣縱波菊花陣列扇形掃查，檢測(cè)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)探頭一周找到人工刻槽的最高回波位置，然后將回波降至滿屏高度的80%作為基準(zhǔn)靈敏度，刻槽反射回波圖像如圖3所示。

圖3 不同深度處的人工刻槽反射回波圖像(菊花陣列探頭)

同樣以螺栓A面作為檢測(cè)面，調(diào)節(jié)閘門位置，使閘門套住41mm處的人工刻槽缺陷回波，將回波調(diào)至滿屏刻度的80%作為基準(zhǔn)靈敏度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的增益為30dB，81mm處的人工刻槽缺陷對(duì)應(yīng)的波高為84%，并且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出其深度位置，114mm和141mm處的人工刻槽缺陷的回波低于20%，并且相控陣檢測(cè)系統(tǒng)顯示無法探出，如圖3(a)所示。再次調(diào)節(jié)閘門位置，使得閘門套住141mm處深度為1mm的人工刻槽缺陷，將波幅調(diào)節(jié)至滿屏刻度的80%處作為基準(zhǔn)波高，此時(shí)對(duì)應(yīng)的增益為49dB，并且4處人工刻槽缺陷均能檢測(cè)出來，114mm處刻槽對(duì)應(yīng)的波高超過滿屏的100%，41mm和81mm處刻槽對(duì)應(yīng)的波高均超過250%，但能夠明顯和螺紋根部反射回波區(qū)分開，如圖3(d)所示。

通過線性陣列探頭和菊花陣列探頭對(duì)螺栓1mm深的人工刻槽檢測(cè)試驗(yàn)可知，線性陣列探頭檢測(cè)4個(gè)缺陷時(shí)，為了得到良好的成像圖譜，檢測(cè)時(shí)可將檢測(cè)靈敏度在35～52dB范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，菊花陣列探頭檢測(cè)時(shí)檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)范圍為17～40dB，在每個(gè)刻槽均達(dá)到滿屏刻度的80%波高基準(zhǔn)下，對(duì)不同距離的人工刻槽所對(duì)應(yīng)的增益值進(jìn)行了測(cè)量，刻槽深度與增益之間的關(guān)系如圖4所示，菊花陣列探頭在81mm處刻槽的增益降低是由于受到波的疊加干涉影響，其它增益刻槽隨著距離的增加而升高，這是由于相控陣聲束在螺栓內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生了衰減造成聲能降低。線陣探頭檢測(cè)螺栓的螺紋處的人工刻槽缺陷，缺陷信號(hào)容易淹沒在螺紋根部反射回波信號(hào)里面，不易被發(fā)現(xiàn)。菊花陣列探頭檢測(cè)螺栓的螺紋處的人工刻槽缺陷時(shí)，能夠和螺栓根部的反射信號(hào)以扇形圖像的中線左右分開，容易分辨。菊花陣列探頭以較低的檢測(cè)靈敏度就能達(dá)到和線性陣列探頭相同的檢測(cè)效果。

圖4 不同距離的刻槽與增益關(guān)系圖

2.4 相控陣成像質(zhì)量的影響因素

通過本次相控陣檢測(cè)螺栓人工刻槽缺陷的試驗(yàn)可知，相控陣成像質(zhì)量的好壞直接影響到檢測(cè)人員對(duì)缺陷的準(zhǔn)確判斷。通過試驗(yàn)總結(jié)出來了以下幾條影響因素，以供在實(shí)際工程應(yīng)用中作為參考。

(1)相控陣系統(tǒng)本身的影響，例如脈沖發(fā)生器里面的激發(fā)能量電壓(V)，最大采集率(Hz)，濾波器頻率(MHz)等，這些參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)螺栓的情況進(jìn)行調(diào)整，觀察圖像變化，直到調(diào)出滿足檢測(cè)要求的清晰的圖像為止。

(2)反射體大小對(duì)成像的影響，在螺栓距離A面41mm的位置刻一個(gè)深度為1.5mm的刻槽和同一位置深度為1mm的刻槽進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示1mm和1.5mm的刻槽均能被發(fā)現(xiàn)，回波幅度均為80%滿屏波高時(shí)，1mm的刻槽檢測(cè)靈敏度為39dB，1.5mm的刻槽檢測(cè)靈敏度為30dB，兩則相差9dB，即深度越大的刻槽回波幅度越高，信噪比越大，反射信號(hào)成像越深。

圖5 相同位置不同深度的刻槽反射回波圖像

3 結(jié)論

本文采用相控陣的方法對(duì)螺栓內(nèi)部模仿裂紋缺陷的人工刻槽進(jìn)行了試驗(yàn)，目的是為了解決工程實(shí)際中水工金屬結(jié)構(gòu)在役螺栓內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)。采用了相控陣線性陣列和菊花陣列2種不同的探頭進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，分析了影響相控陣成像質(zhì)量的因素，并得出以下結(jié)論。

(1)相控陣線性陣列探頭和菊花陣列探頭均能有效檢測(cè)出螺栓上面的人工刻槽缺陷，相較于線性陣列探頭，菊花陣列探頭的優(yōu)勢(shì)為：無需旋轉(zhuǎn)或只需輕微旋轉(zhuǎn)即可發(fā)現(xiàn)所有角度上的缺陷，而線陣探頭至少需旋轉(zhuǎn)180°。菊花陣列探頭能夠?qū)⒙菁y根部的反射信號(hào)和人工刻槽信號(hào)非常明顯的區(qū)分開。

(2)菊花陣列探頭檢測(cè)同一位置深度為1mm的人工刻槽缺陷時(shí)的信噪比高于線陣探頭的信噪比。同一檢測(cè)位置1.5mm的刻槽比1mm刻槽的信噪比大，成像也比較清晰。

(3)超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)螺栓具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠提高裂紋缺陷的檢出率，增加了檢測(cè)結(jié)果的可靠性，能夠滿足工程實(shí)際中在役高強(qiáng)螺栓的檢測(cè)要求。