特種設備在役螺栓超聲相控陣檢測成像影響因素

薛利杰，劉晴巖，方　雨，左延田，嚴曉東

(1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院， 上海 200333；2.華東理工大學 承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室， 上海 200237；3.上海明華電力技術工程有限公司， 上海 200090)

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特種設備在役螺栓超聲相控陣檢測成像影響因素

薛利杰1，劉晴巖2，方雨2，左延田1，嚴曉東3

(1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院， 上海 200333；2.華東理工大學 承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室， 上海 200237；3.上海明華電力技術工程有限公司， 上海 200090)

在分析螺栓超聲檢測原理與方法的基礎上，結合在役螺栓超聲相控陣檢測的實際情況，通過螺栓試樣超聲相控陣檢測成像圖的分析比較，討論了影響檢測結果的主要因素，包括扇掃角度選擇、檢測位置、當量反射體大小和當量反射體位置對檢測結果與成像的影響分析，為在役螺栓超聲相控陣檢測工藝及方案的制訂提供了依據(jù)。

螺栓；超聲檢測；相控陣；成像

機械制造與機械設備安裝中廣泛使用螺栓連接，螺栓是特種設備，如鍋爐、壓力容器和壓力管道上的重要緊固件，起到連接、定位以及密封等作用。由于使用場合的不同，螺栓承受的載荷和所處工況非常復雜，在加工、安裝、在役使用等過程中承受復雜的應力、溫度等作用，容易引起螺栓斷裂或失效[1]。

螺栓在制造過程中，會經(jīng)歷機加工、淬火、回火等熱處理工藝，而在這些工藝過程中通常會產(chǎn)生微裂紋等制造加工缺陷。這些加工缺陷可以用超聲波檢測出來。

螺栓在使用中產(chǎn)生的缺陷，如疲勞裂紋通常不易發(fā)現(xiàn)，又很難預防，并且疲勞常是脆性破壞，具有突發(fā)性且易造成事故。為此，螺栓的安全性引起人們越來越多的重視。在不拆卸螺栓的前提下，檢測螺栓螺紋部位的疲勞裂紋始終是個難題[2-3]。疲勞裂紋的檢測在理論上講可使用常規(guī)超聲檢測方法，但螺紋部位產(chǎn)生的缺陷多為單一疲勞裂紋，由于其形狀復雜、缺陷波形的干擾多、缺陷部位結構復雜、檢測可達性差等原因[4]，給檢測工作帶來了一定的難度。

筆者主要討論對在役螺栓超聲相控陣檢測時，影響檢測結果的主要因素。得出扇掃角度位置、檢測位置、當量反射體大小和當量反射體位置對螺栓的相控陣檢測都有影響的結論。

1　螺栓超聲檢測研究現(xiàn)狀

1.1螺栓常規(guī)超聲在役檢測現(xiàn)狀及存在的問題

螺栓常規(guī)超聲在役檢測主要采用縱波直探頭，但縱波直探頭檢測存在以下問題：

(1) 螺栓檢測波形判別難，特別是經(jīng)螺栓的幾何結構反射后產(chǎn)生的變形波、干擾波多，干擾波主要來自于螺栓結構或齒面的反射[1-5]。

(2) 在役螺栓的缺陷以疲勞裂紋為主，疲勞裂紋出現(xiàn)的部位與局部受力有關，裂紋的走向復雜，縱波直探頭檢測時聲束角度單一，容易漏檢，降低檢測可靠性。

(3) 在役設備可提供的檢測操作空間有限，探頭的可達性差，超聲檢測操作不方便，且螺栓無法拆卸、清洗。

(4) 檢測靈敏度低，靈敏度與儀器、探頭系統(tǒng)、螺栓的幾何尺寸有關。

1.2螺栓超聲相控陣檢測方法現(xiàn)狀及特點

與傳統(tǒng)超聲檢測技術相比，超聲波相控陣技術可以解決在役螺栓檢測的難題。超聲相控陣技術的主要特點是多晶片探頭中各晶片的激勵均由計算機控制。壓電復合晶片受激勵后能產(chǎn)生超聲聚焦聲束，聲束參數(shù)(包括角度、焦距和焦點尺寸等)均可通過軟件調整，并可進行掃描成像[6]。

超聲相控陣技術有利于解決螺栓在役檢測存在的問題，具體體現(xiàn)在以下方面：

(1) 采用電子方法控制聲束聚焦、偏轉和掃查，可以在不移動或少移動探頭的情況下實現(xiàn)較大角度范圍的快速掃查，從而提高檢測效率。

(2) 能實現(xiàn)對缺陷的多種視圖成像，檢測結果直觀，便于對缺陷的識別與判定，能解決螺栓檢測缺陷波形的干擾多、判別難的問題，圖像顯示優(yōu)于波形顯示。

(3) 具有良好的聲束可達性，能對復雜幾何形狀的工件進行檢測。

(4) 通過控制焦點尺寸、焦區(qū)深度和聲束方向，提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能。

2　試驗方法及試驗結果分析

筆者通過試驗的方法對螺栓超聲相控陣檢測的關鍵技術進行了探討，研究了掃查方法、定量方法、檢測能力等影響檢測工藝的主要因素，內容涉及扇掃角度選擇、檢測位置、當量反射體大小和當量反射體位置對檢測結果與成像的影響等方面。

2.1儀器、探頭及其參數(shù)設置

超聲相控陣檢測儀選用PHASCAN超聲相控陣便攜式檢測儀，考慮到螺栓具體的在役檢測要求，采用直探頭進行端面小范圍縱波扇掃檢測，選擇一維線性陣列探頭，參數(shù)如下：頻率為5 MHz，共16陣元，陣元間距為0.6 mm，最大探頭孔徑可達16 mm×0.6 mm×10 mm。掃描參數(shù)設置：激發(fā)陣元數(shù)16，扇掃起始角度-30°～+30°，扇掃角度步進0.5°，檢測深度由螺栓樣品確定。

2.2螺栓試樣

試樣按NB-T 47020-2012《壓力容器法蘭分類技術條件》規(guī)定，根據(jù)試驗所需選用無內部缺陷的螺栓試樣，在該試樣上加工人工缺陷，人工缺陷為不同深度的刻槽，選擇型號為BM 36×3，CM 36×3的樣品，材料為35CrMoA鋼。刻槽均垂直于螺栓軸線,寬度為0.2 mm。

BM 36×3型試樣的人工刻槽特征為離螺栓端面90 mm處的不同當量槽深，槽深分別為0.5,1,1.5,2 mm，螺栓試樣尺寸見圖1；CM 36×3型試樣的人工刻槽特征為距螺栓A端不同深度處的1 mm刻槽[7]，試樣尺寸見圖2。

圖1　BM36×3型螺栓試樣尺寸示意

圖2　CM36×3型螺栓試樣尺寸示意

2.3試驗過程及結果分析

2.3.1相控陣扇掃角度對基礎聲像的影響

螺栓超聲相控陣檢測扇掃獲得的基礎聲像圖反映了螺栓的幾何結構及缺陷特征，相控陣扇掃角度不同，所包含的信息也不同。選用了型號CM36×3螺栓進行聲像采集，獲得的圖像見圖3。

圖3　螺栓超聲相控陣檢測扇掃基礎聲像示意

根據(jù)在役檢測的實際情況，超聲檢測探頭的檢測面只能選擇螺栓平整的端面，即,從端面發(fā)射超聲波，軸向射入螺栓內部，通過探頭端面掃查，實現(xiàn)對螺栓的整體檢測。螺栓檢測面中心如有頂針孔，掃查時必須避開，避免漏檢。

扇掃角度的選擇必須綜合考慮螺栓的幾何結構、螺栓螺紋牙齒的角度和圖像的覆蓋范圍等因素影響，在試驗中選擇了-30°～+30°的扇掃角度。探頭位置位于螺栓端部中心。圖3中的閘門A可以由A掃波形讀出缺陷反射波的位置與波幅，約為90 mm和滿刻度100%；圖3中的角度線可以讀出最高回波的角度扇掃線。

具體檢測中為便于對圖像的研讀，避免掃查時圖像變化或圖像信息量太多帶來的判斷干擾，扇掃角度可以設置為0°～30°。下文介紹中使用了兩種扇掃角度設置。

2.3.2反射體大小對聲像的影響及討論

為定量研究不同大小人工缺陷聲像特點，試驗使用BM36×3試樣的人工刻槽試塊距螺栓端面90 mm處的0.5,1,1.5,2 mm深的刻槽(見圖1)進行同一檢測深度，不同大小人工缺陷聲像特征的比較。

扇掃角度的選擇需考慮便于展現(xiàn)圖像的細節(jié)，設置為0°～30°。檢測深度設置于螺栓試樣缺陷位置。檢測位置選擇1/4與3/4直徑處，見圖4(a)、5(a)。

(1) 1/3直徑處缺陷圖像特征

圖4為1/4直徑位置螺栓缺陷聲像特征圖，圖4(b)、(c)、(d)、(e)反映了不同當量缺陷聲像特征。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在扇形掃描圖的左下部分閘門線位置處有一異常回波信號，從位置上分析，可以認定這是一個刻槽人工缺陷造成的異常回波。同時可以直觀地分析出缺陷在哪個掃查角度的反射波最高，并可由左側A掃波形圖與圖像上方的增益、波高進行定量分析。

圖4　1/4直徑檢測位置不同刻槽聲像特征比較

圖5　3/4直徑檢測位置不同刻槽聲像特征比較

由圖可見：在相同增益的條件下，圖中的缺陷部分聲像顏色不同。可以看出，同樣深度下，不同大小反射體的反射能量不同，大的缺陷能反射更大的能量，反射波更高，聲像的色彩更深。

在當前檢測系統(tǒng)的靈敏度水平下，人工刻槽試塊距螺栓端面90 mm處的0.5 mm刻槽無法被發(fā)現(xiàn)，見圖4(b)。

1/4直徑檢測位置處，同一檢測深度，不同大小人工缺陷A掃缺陷當量與波高的關系可由圖4獲得，槽深為0.5,1,1.5,2 mm處對應的波高分別為6.8%,45.9%,87.9%,107.9%滿屏高。

(2) 3/4直徑處缺陷圖像特征

圖5為3/4直徑檢測位置缺陷聲像特征，圖5(b)、(c)、(d)、(e)同樣反映了不同當量缺陷聲像特征。

從圖5同樣可以發(fā)現(xiàn)，于扇形掃描圖的左下部分閘門線位置處有一個異常的缺陷回波信號，與圖4不同的是，圖5的檢測圖像更全面、清晰,螺紋的成像范圍更寬，并偏離中心。同樣可分析出缺陷在哪個掃查角度的反射波最高，并進行定量分析；當量大的缺陷能反射更大的能量，反射波更高，聲像的色彩更深，形成一定的規(guī)律。

在當前檢測系統(tǒng)的靈敏度下，圖5(b)人工刻槽試塊90 mm處的0.5 mm刻槽聲像比圖4(b)清晰，如果稍提高一點靈敏度，圖像效果將更佳。

3/4直徑檢測位置處，同一檢測深度，不同大小人工缺陷A掃缺陷當量與波高的關系可由圖5獲得，槽深為0.5,1,1.5,2 mm處對應的波高分別為29.9%,74.1%,82.9%,95.9%滿屏高。

2.3.3反射體位置對聲像及靈敏度的影響

試驗使用CM 36×3螺栓上不同深度處的1 mm刻槽缺陷，與同一尺寸人工缺陷在不同檢測深度的聲像特征進行比較，人工刻槽位置在試塊的40,100,150,240 mm處。

扇掃角度選擇滿足全面觀察整體圖像的需要，設置為-30°～30°，檢測深度大于螺栓總長，檢測位置由最大刻槽回波確定。

探頭放在螺栓端面進行掃查，以找出不同深度刻槽反射波最高時的檢測位置，圖6為4個槽深1 mm的人工缺陷在不同檢測深度的最高回波的聲像特征。

從圖6可明顯發(fā)現(xiàn)，于扇形掃描圖的閘門線位置處有一異常回波信號，可認定這是一個刻槽人工缺陷造成的異常回波。從位置上分析，其與試塊的螺栓刻槽位置相符，同時可以直觀分析出缺陷在哪個掃查角度的反射波最高，并可由左側A掃波形圖與上方增益值進行定量分析。

圖6　端面刻槽回波最高時的聲像

由圖6可以發(fā)現(xiàn),在相同的增益條件下，不同深度，同一當量大小反射體的反射能量是不同的，深的缺陷反射能量弱，遠距離的缺陷容易漏檢。

由此可見，在檢測前，必須驗證反射能量最大檢測位置的靈敏度。

2.3.4掃查位置對聲像的影響及討論

由圖4可知,由于探頭位置偏邊緣，且利用的是小角度聲束，只能顯示靠近探頭的螺栓上部的螺紋，下端的螺紋由于聲束角度過小無法顯示或顯示不清，螺紋聲像靠近軸線，且螺紋反射面小。

由圖5可知,由于探頭聲束角度范圍較大，能顯示螺栓下端部分的螺紋聲像，且螺紋反射面積大，螺紋聲像清晰，但不能檢測靠近探頭的端部螺紋。

由不同槽深對應的反射波高可看出，當量缺陷的聲像(或波高)受檢測位置的影響，檢測位置不同，相同當量缺陷的反射波高不同，聲像色彩不同。

由以上分析可知，同一缺陷可以在不同位置檢測到，但得到的波高 (或聲像顏色)是不同的。為確保缺陷定量合理可靠，用來評定的缺陷聲像必須使用最高回波的聲像，需參考缺陷A掃波幅。上節(jié)中，1 mm刻槽當量缺陷的聲像(或波高)就是采集刻槽回波最高時的聲像。

3　結論

螺栓超聲相控陣檢測結果的影響因素是多方面的，在制訂工藝時要充分考慮以下因素的影響:

(1) 超聲相控陣扇掃角度的選擇

扇掃角度是超聲相探陣檢測的一個重要參數(shù)，必須綜合考慮螺栓的幾何結構、螺栓螺牙的角度和圖像的覆蓋范圍等因素。

(2) 檢測位置的選擇

為確保缺陷定量合理可靠，檢測的最佳位置必須以缺陷最高回波的聲像為準，需同時參考缺陷A掃波幅。

(3) 檢測靈敏度與定量

相控陣螺栓檢測的靈敏度影響因素是多方面的，建議使用對比試件進行靈敏度校驗，缺陷定量建議采用標準試件制作距離-波幅曲線進行。

(4) 螺栓的掃查方法

雖然超聲相控陣檢測可以不移動或少移動探頭，但為了提高定量精度，發(fā)現(xiàn)最高波，必須結合螺栓結構特點，進行有針對的掃查。如檢測有頂針孔的螺栓端面時，可利用環(huán)向掃查等方法，發(fā)現(xiàn)缺陷并找到當量反射體的最高回波。

[1]蔡占河.淺談電站結合面螺栓的超聲波探傷[J].無損檢測,2012,34(9):64-67.

[2]張順啟,鄭小康，章文顯，等.吊桿螺栓螺紋部位疲勞裂紋超聲波探傷[J].機械車輛工藝,2007(6):17-18.

[3]胡德明.主軸承螺栓螺紋部位疲勞裂紋超聲波探傷方法[J].鐵道機車車輛工人,2011(5):14-16.

[4]霍彥,呂勝軍.火力發(fā)電廠高溫緊固螺栓的在役超聲波檢測[J].無損檢測,2011,33(2):69-71.

[5]王斐斐,張丙法.承壓螺栓超聲檢測中異常波分析[J].山東電力技術,2009(6):69-70.

[6]范巖成.MARKII型低壓轉子末級葉片原位葉根的超聲相控陣檢查[J].無損檢測,2012,34(3):69-72.

[7]DLT 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢測技術導則[S].

Imaging Influence Factors of Phased Array Inspection for Special Equipment Bolts In-Service

XUE Li-jie1, LIU Qing-yan2, FANG Yu2, ZUO Yan-tian1, YAN Xiao-dong3

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection & Technical Research, Shanghai 200333, China;2.Key Lab of Safety Science of Pressurized System, Ministry of Education, East China University of Science and Technology,Shanghai 200237, China; 3.Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China)

This paper, based on the analysis of the principles and methods of the ultrasonic testing of bolts and combining with the actual situation of ultrasonic phased array inspection of bolts in service, aims to discuss the main factors affecting testing results via the analysis and comparison of the phased array inspection for bolt samples. The influence factors, which include sector angle selection, detecting position, equivalent reflector size and equivalent reflector position, are discussed and therefore hoped to become the basis for formulating the procedures of ultrasonic phased array inspection of bolts.

Bolt; Ultrasonic testing; Phased array; Imaging

2015-10-09

薛利杰(1984-),男,碩士,工程師,主要從事特種設備檢驗、無損檢測工作。

薛利杰，E-mail: lijie_xue@126.com。

10.11973/wsjc201607002

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0006-05