壓力管道主螺栓超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李偉堅(jiān)*

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院寧德分院）

0 前言

小型螺栓廣泛應(yīng)用于化工機(jī)械中，由于其在使用過程需承受高溫高壓，甚至處于腐蝕環(huán)境中，容易出現(xiàn)裂紋等使螺栓失效的缺陷，因此特種設(shè)備檢驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，在定期檢驗(yàn)中應(yīng)對(duì)設(shè)備主螺栓進(jìn)行檢驗(yàn)。在四種常規(guī)無損檢測(cè)方法中，超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)是較常用的兩種螺栓檢測(cè)方法，超聲檢測(cè)存在探頭可達(dá)性差，檢測(cè)靈敏度低等缺點(diǎn)；磁粉檢測(cè)對(duì)于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度不滿足條件的材料則無能為力。

超聲相控陣技術(shù)是近年來發(fā)展比較迅猛的一項(xiàng)新型檢測(cè)技術(shù)，通過控制各個(gè)探頭的激勵(lì)時(shí)間來控制聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，檢測(cè)結(jié)果可以多維顯示，而且能夠掃查常規(guī)超聲波檢測(cè)無法檢測(cè)的部位。工程技術(shù)人員采用超聲相控陣技術(shù)對(duì)各種復(fù)雜構(gòu)件也進(jìn)行了拓展研究，取得了一定的成效。本文擬將其應(yīng)用于小型螺栓的檢測(cè)中，并設(shè)計(jì)出了相關(guān)工藝，具有較大的工程實(shí)踐意義。

1 專用檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

將相控陣技術(shù)應(yīng)用于小型螺栓檢測(cè)中，需要對(duì)檢測(cè)裝置和檢測(cè)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用將專用掃查裝備與超聲相控探頭和超聲相控檢測(cè)儀結(jié)合的檢測(cè)模式，該檢測(cè)裝置可以對(duì)小型螺栓上下螺紋區(qū)表面及內(nèi)部缺陷進(jìn)行快速檢測(cè)。

該裝置較常規(guī)檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)主要為以下幾點(diǎn)：（1）可不用拆卸對(duì)地腳螺栓進(jìn)行檢測(cè)；（2）較常規(guī)脈沖反射數(shù)字式超聲檢測(cè)，檢測(cè)深度更大、精度更高；（3）設(shè)備簡(jiǎn)單、輕巧且可快速安裝。

1.1 掃查裝置設(shè)計(jì)

螺栓的結(jié)構(gòu)特殊，因此設(shè)計(jì)專用的檢測(cè)裝置對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的可靠性具有重要作用。特種設(shè)備行業(yè)上螺栓規(guī)格尺寸范圍一般為M32 ～M60 mm，且主要用于法蘭連接。因此，采用超聲相控陣檢測(cè)時(shí)可從螺栓上端面對(duì)螺栓螺紋區(qū)以及螺栓內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。本文擬采用的螺栓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖可見圖1。

圖1 超聲相控螺栓檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)小螺栓檢測(cè)特點(diǎn)，掃查裝置應(yīng)滿足以下條件：（1）需保障超聲相控陣探頭與螺栓表面接觸良好；（2）超聲相控陣探頭周向轉(zhuǎn)動(dòng)不受限制，且不存在死角或者盲區(qū)；（3）掃查裝置根據(jù)螺栓規(guī)格尺可調(diào)節(jié)，且能緊固。

根據(jù)螺栓規(guī)格特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適用于超聲相控陣探頭掃查的簡(jiǎn)易裝置，如圖2 所示。螺栓型號(hào)為六角螺栓，螺頂部是一個(gè)平面，設(shè)計(jì)時(shí)固定螺栓頂部平面，為了防止螺栓移動(dòng)，在側(cè)面安裝一個(gè)旋緊固定螺絲，防止卡盤裝置在運(yùn)動(dòng)中位移偏置，導(dǎo)致螺栓超聲相控陣檢測(cè)噪聲增大，影響螺栓相控陣檢測(cè)效果。

圖2 卡盤裝置示意圖

卡盤裝置由3 組細(xì)小滑輪，3 組可調(diào)緊固螺栓插銷和3組加持平板構(gòu)成。為了保證螺栓能緊固在卡盤上，可采用圓形結(jié)構(gòu)調(diào)緊固插銷，保障其不移動(dòng)，具體如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)隨動(dòng)器件

1.2 試驗(yàn)檢測(cè)儀器

本文采用Zetec 公司研發(fā)生產(chǎn)的DYNARAY 相控陣系統(tǒng)，型號(hào)為NARAY-128/128PR，相控陣探頭為5L16-A10，超聲波軟件為UltraVision3-3D，并且與電腦Dell vostro3400 相連。

2 試驗(yàn)論證

制作常見規(guī)格的帶人工缺陷的螺栓，并采用上述檢測(cè)工藝對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)擬定的檢測(cè)工藝進(jìn)行試驗(yàn)論證。本次研究選擇直徑為M36 mm 的高溫緊固螺栓和六邊形螺栓緊固件。緊固（法蘭連接）螺栓材質(zhì)為18MnNiCrV，直徑為24 mm，螺紋長(zhǎng)度為74 mm，螺栓長(zhǎng)度為102 mm。六邊形螺栓緊固件材質(zhì)為碳鋼，長(zhǎng)度為180 mm，六邊形邊長(zhǎng)為26 / 21 mm。

采用自主研發(fā)的相控陣掃查裝置檢測(cè)螺栓，如圖4 所示，手工轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓裝置，確保螺栓360°旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行相控陣檢測(cè)。扇形掃描方式使陣列中相同晶片發(fā)射聲束，對(duì)某個(gè)聚焦深度在范圍內(nèi)移動(dòng)。檢測(cè)時(shí)采用帶楔塊的扇形掃描和不帶楔塊的扇形掃描。

圖4 相控陣掃查裝置及檢測(cè)示意圖

探頭加楔塊，檢測(cè)楔塊回波之前的缺陷，聚焦法則設(shè)置情況可見表1，檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

表1 探頭加楔塊聚焦法則

圖5 探頭加楔塊相控陣檢測(cè)結(jié)果圖

根據(jù)圖5 的檢測(cè)結(jié)果可以看出：當(dāng)數(shù)據(jù)指針位于無缺陷位置，圖5 中可明顯看到1 個(gè)缺陷，將數(shù)據(jù)指針置于1#缺陷位置，測(cè)得缺陷深度為19.99 mm，該缺陷為螺栓的第1 個(gè)刻槽缺陷。

探頭不加楔塊，檢測(cè)較深的缺陷時(shí)，聚焦法則設(shè)置情況可見表2，檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示。

表2 探頭不加楔塊聚焦法則

圖6 探頭不加楔塊相控陣檢測(cè)結(jié)果圖

根據(jù)圖6 的檢測(cè)結(jié)果可以看出,當(dāng)數(shù)據(jù)指針位于無缺陷位置時(shí)，圖6 中可明顯看到2 個(gè)缺陷，將數(shù)據(jù)指針置于2#缺陷位置，測(cè)得缺陷深度80.19 mm，該缺陷為螺栓的第2 個(gè)刻槽缺陷，將數(shù)據(jù)指針置于3#缺陷位置，測(cè)得缺陷深度為140.49 mm，該缺陷為螺栓的第3 個(gè)刻槽缺陷。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，相控陣檢測(cè)具有靈敏度高，信噪比高和多掃描均能方便識(shí)別缺陷位置等優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

鋼螺栓檢測(cè)一直是困擾檢驗(yàn)人員的一大技術(shù)難題。本文將相控陣檢測(cè)技術(shù)引入到螺栓檢測(cè)工作中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置，并對(duì)螺栓試樣進(jìn)行了檢測(cè)論證。結(jié)果表明，相控陣技術(shù)不僅適用于螺栓檢測(cè)工作，而且與其他檢測(cè)方法相比還具有靈敏度高，信噪比強(qiáng)和缺陷識(shí)別精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，試驗(yàn)還表明，相控陣檢測(cè)技術(shù)可以在不拆卸螺栓的前提下，通過對(duì)螺栓端面檢測(cè)就能完成整條螺栓的檢測(cè)工作，不僅提高了檢測(cè)質(zhì)量工作，還大大提高了工作效率，降低了檢測(cè)成本。