地腳螺栓相控陣柱面超聲導波換能器的設計及應用

岳賢強，姜海波，高超，馬君鵬，李羽可

(1. 江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008； 3.武漢中科創新技術股份有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

地腳螺栓是電力輸電線路鐵塔的重要基礎部分，埋藏在混凝土基礎中。在長期服役過程中，地腳螺栓在各種腐蝕介質作用下發生電化學腐蝕，造成受力截面減小，承載力下降，對輸電線路鐵塔安全穩定性造成威脅，易發生倒塔事故[1-2]。

對于地腳螺栓等細長桿體，可以采用柱面超聲導波技術(cylindrically guided wave technique, CGWT)進行缺陷檢測和腐蝕量測量[3-5]。超聲波在細長螺栓中傳播時聲束與側壁干涉發生波型轉換，其反射回波信號包含了桿件的整體信息，從而實現對缺陷及腐蝕缺失的檢測評估。CGWT技術最早用于螺栓、閥桿、泵軸等具有較大長徑比構件的缺陷檢測和評估[6]。由于技術限制，此種方法存在一些不足，如螺紋反射回波的干擾、信噪比低、機械掃查困難、檢測效率低等。

相控陣作為無損檢測的熱門技術，可用于原材料、焊接接頭、連桿、螺栓等工件的快速檢測[7-8]。本文結合超聲柱導波和相控陣延時技術，設計一種適合地腳螺栓等大尺寸桿件無損檢測的相控陣超聲柱導波換能器，并制作換能器用于實際檢測，驗證其可靠性，有效解決了地腳螺栓腐蝕缺陷檢測難題。

1 用于螺栓檢測的柱導波原理

波導原理可有效地應用于細長圓柱體(如螺栓、雙頭螺桿、閥桿或泵軸)的超聲檢測。當超聲束沿圓柱體軸向傳播時，由于縱波聲束與圓柱側壁發生掠射的交互作用引起系列的波型轉換，即縱波(L)掠射至螺栓側壁波型轉換成橫波(S)，橫波傳播至對面側壁轉換為掠射縱波(L-S-L)，在長度大于直徑的細長圓柱體中此種轉換可發生多次。這種波型轉換就是柱導波技術檢測螺栓中缺陷的物理基礎。

為了查明波型轉換(兩次轉換或三次轉換)信號的存在，轉換波的信號必須能與主反射脈沖分開。分開的程度與入射脈沖寬度及被檢圓柱波導的直徑有關。圖1所示是一個發生多重波型轉換的情況。第1個回波信號是來自螺栓另一端的底波，緊接著底波的信號是經波形轉換后的拖尾脈沖信號。底波信號(直射縱波)與第1個拖尾脈沖信號之間的時間間隔與螺栓的直徑有關，且拖尾信號之間的時間間隔均相等。

圖1 柱導波技術示意圖

底波信號為直射縱波反射信號(L)，第1個拖尾脈沖信號發生了一次縱波-橫波-縱波轉換(L-S-L)；第2個拖尾信號則完成了兩次波型轉換(L-S-L-S-L)。底波和第1個拖尾脈沖之間的時間間隔Δt是以橫波速度行進距離S所需的時間減去以縱波速度行進X所需的時間(圖2所示)，其時間差為

式中：d為螺栓直徑，mm；CS為鋼中橫波速度，m/s；CL為鋼中縱波速度，m/s。

圖2 直射縱波與經波型轉換的拖尾信號之間的聲程差

2 換能器設計

2.1 換能器陣列形式

地腳螺栓超聲檢測聲源只能端面加載，不需要偏轉聲束及順次移動陣列激勵即可實現對螺栓全方位掃描。選擇的換能器陣列形式為一維平面圓形線陣，見圖3。條形陣元沿徑向均勻分布在內徑為r和外徑為R的圓環面積上。該形式換能器具有以下特點：

圖3 一維平面圓形線陣

1) 發射的超聲縱波能夠與螺栓側壁形成很好的掠射關系，可實現柱導波檢測；

2) 沿圓弧線順次移動陣列激勵對螺栓實施循環電子掃描，探頭不需要機械移動掃描，檢測效率高；

3) 陣列信號進行實時運算處理，檢測信噪比遠高于單一探頭檢測。

2.2 換能器陣元個數

隨著相控陣陣元個數的增加，主瓣寬度Δθ減小，超聲波束的聚焦效果越好，圖像分辨力越高。取θ0=0°，λ=2d，經計算得到陣元個數n與主瓣寬度Δθ的關系如圖4所示。主瓣寬度隨陣元個數的增加而減少，而且減少的趨勢越來越緩。陣元數在0～16之間主瓣寬度迅速變小；在陣元數達到16個以后，陣元的增加對減小主瓣寬度的作用不大。為保證換能器具有足夠發射能量和較高精度，得到更好的檢測效果，最終確定用64個陣元進行檢測。

圖4 陣元個數與主瓣寬度的關系

2.3 換能器陣列幾何參數

為了達到最優的檢測效果，不同尺寸的地腳螺栓應選擇不同幾何參數的陣列。一般將圓形線陣的外半徑R設置為比待檢測地腳螺栓的公稱半徑小2mm。單個條形陣元的長度L即為圓形線陣的內外徑之差。所以在確定圓形線陣的外徑以及條形陣元的長度后，即可得到圓形線陣的內半徑r，即r=R-L，如圖5所示。

圖5 一維平面圓形線陣幾何模型

圓形線陣結構中d為相鄰陣元的間距，a為條形陣元寬度，d和a的確定以中性圓半徑rc為基準：rc=r+(R-r)/2。陣元寬度和陣元間距會影響波束指向性和旁瓣幅值，是影響換能器性能的重要指標[9-10]，在設計和制作過程中要綜合考慮實用性、加工難度和經濟性。

2.4 條形陣元長度和螺紋波抑制

在未擴散區內，聲束不擴散，近似垂直于晶片沿螺栓軸向傳播，不存在地腳螺栓的螺紋反射波。當聲束開始擴散時，若聲束垂直入射螺紋傾斜面，晶片會收到強烈的螺紋反射信號，降低信噪比。

圖6 條形陣元的長度計算示意圖

2.5 換能器陣元頻率選擇

換能器陣元頻率選擇對檢測缺陷的探測能力影響很大。一維圓形線陣頻率的選擇需要綜合考慮地腳螺栓的長度、直徑、材料特性以及降低陣列柵瓣等因素。線陣的頻率越高,圖像的分辨力越高，但頻率高會增加柵瓣的數量，不容易對其控制。輸電線路鐵塔的地腳螺栓長度一般≤2000mm，為避免頻率過高引起較大衰減，對于長度<1000mm的地腳螺栓推薦選用5 MHz的頻率，對于長度>1000mm的地腳螺栓推薦選用2.25MHz的頻率。

2.6 換能器的結構設計

換能器的整體幾何尺寸按被檢測地腳螺栓的要求進行設計。換能器的內部構成與傳統典型結構基本一致，設計上采取中空的圓環結構，見圖7所示。在保證換能器性能要求的基礎上盡可能地減輕換能器的質量，方便使用，也減少了材料成本。

圖7 一維平面圓形線陣整體設計

3 應用案例

3.1 輸電線路鐵塔地腳螺栓腐蝕檢測

針對某500kV輸電線路鐵塔φ46×1600mm地腳螺栓，采用2.25MHz12×42(頻率2.25MHz、64陣元、外徑42mm、內徑12mm)規格一維圓形平面線陣換能器，配合定制的地腳螺栓腐蝕狀態檢測系統進行檢測，該地腳螺栓在距離檢測端面600mm左右存在一處當量6mm的腐蝕缺陷，如圖8所示。

從檢測結果可以看出螺紋反射波得到了有效消除，缺陷反射信號明顯，信噪比高。缺陷位置距檢測端面594.9mm，與實際情況偏差不到1%，檢測精度很高。這得益于周向電子掃查，可以直接從檢測結果中得到缺陷的周向位置，A掃視圖中可以得到缺陷的相對當量，從而實現對地腳螺栓缺陷的精確定位和定量檢測。

圖8 地腳螺栓檢測結果

3.2 雙頭螺柱缺陷檢測

對規格為M30×420mm的雙頭螺柱進行缺陷檢測，其兩端螺紋部分長100mm。采用5MHz8×26(頻率5MHz、64陣元、外徑26mm、內徑8mm)規格的一維圓形平面線陣換能器，配合定制的地腳螺栓腐蝕狀態檢測系統進行檢測，該螺栓距離探頭放置端面61mm處存在1mm線切割槽當量裂紋，檢測結果如圖9所示，裂紋位于螺紋根部，從圖中可以看出裂紋信號明顯，且沒有螺紋信號。

圖9 雙頭螺柱檢測

4 結語

本文設計了一種一維平面圓形線陣換能器，并應用于地腳螺栓等細長桿體的缺陷檢測和腐蝕減薄評估。與傳統單一超聲縱波探頭檢測方法相比，該換能器在檢測地腳螺栓方面具有很大的優勢，由于采用沿圓弧線順次移動陣列激勵對螺栓實施循環電子掃描，發射的超聲縱波能夠與螺栓側壁形成很好的掠射關系，可以有效避免螺紋反射回波的干擾，信噪比較高，缺陷回波明顯，缺陷的定量與定位精度較高，可以有效實現地腳螺栓等埋地錨桿體系的缺陷檢測。該換能器可用于軸銷、閥桿及泵軸等細長圓柱體工件的超聲無損檢測。