3D 全聚焦相控陣檢測技術在風電機組螺栓無損探傷中的應用

李 旺,黃小清,周偉強,黃 平,程慶陽,李洪任,王東利

（1.國家能源集團湖南電力有限公司,湖南 長沙 410000；2.國家能源集團湖南電力新能源有限公司,湖南 永州425400；3.陜西中科啟航科技有限公司,陜西 咸陽 712000）

為實現3060 雙碳目標戰略背景下,國家綠色能源逐步加大占比。隨著風電快速發展,出現很多螺栓損傷造成的質量事件。因此一種高精度快速全方位檢測螺栓方法是非常必要的。風電螺栓具有多樣性、材質種類繁多,本文考慮到復雜應用場景,螺栓無損檢測是現代工業中不可缺失的一部分,相控陣超聲檢測技術發揮著越來越重要的作用[1-4]。針對風電行業主要應用于螺栓成品檢測、在役機組螺栓無損檢測等。本文所提全聚焦相控陣超聲檢測技術是無損探傷檢測領域中一個重要分支[5]。

傳統的相控陣技術是根據發射多點進行聚焦。陣元列面組的激發次數會對圖像刷新了產生直接影響,因此與傳統相比較,高分辨聚焦檢測能力是一大優勢。在風電行業高強度螺栓檢測中,本文中相控陣超聲檢測技術具有在檢測速度、缺陷損傷定位精準度高、三維立體成像、操作簡單、判斷直觀等方面具有明顯優勢[6-7]。

1 3D 全聚焦系統原理

基于全矩陣數據采集的相控陣全聚焦超聲成像檢測技術,該技術具有的分辨力高,算法具有靈活高效等優點[8],成像系統由數據采集和圖像重構相結合,見圖1。

圖1 成像原理構成

全聚焦采集技術,數據圖像通過全矩陣方式刺激,再通過聚焦算法。探頭8×8 的面陣,設備原理說明：（1） 首先將列面陣的第一個陣元激發信號,其他陣元全都接收回波；（2） 然后逐次激發其他陣元發射信號,所有陣元接收回波,并完成數據保存,直到完成最后一個陣元激發,所有陣元接收完所有信號,得到一個含4 096 個信號數據集。如圖2 所示。

圖2 全矩陣數據采集算法原理

在探頭前方被測物體上設置一個目標區,包含若干個(網格化區域,默認65 536 個點,可通過插值增加點數)像素點,也就是信號聚焦點。各個陣元接收到的4 096 個回波信號,對每一個像素點聚焦計算,同時進行相位相干疊加處理。以點(x,z)為例,得到該點的超聲回波幅值,將全矩陣數據集信號在該點處進行疊加。該點幅值I(x,z)可表示為公式（1）：

式中：exi,xj[ti,j(x,z)]為發射列面陣元i、接收陣元j,信號疊加到(x,z)位置得到的幅值；ti,j(x,z)為超聲波從陣元i 發射傳遞到點(x,z),再從點(x,z)返到陣元j 時所需的延時時間。其中ti,j(x,z)可表示為公式（2）：

式中：xi為發射列面陣元的橫坐標的數值；xj為接收列面陣元的橫坐標的數值；c 為被檢測物體中超聲波縱波的傳播速度。

2 風電領域螺栓基本情況

高強度螺栓是大型風電機組重要部件,如塔筒法蘭連接螺栓、變槳軸承葉片連接螺栓等均采用高強度螺栓,風電機組承受著復雜的交變荷載,如風載、機組運行啟停機荷載、溫度變化荷載等。螺栓安裝工藝分析：在大型機械設備螺栓預緊力大多選用力矩扳手,精度一般在10%左右。當螺栓預緊力過大時,螺栓所受拉力處在過大狀態,長時間會造成內部拉傷；當螺栓預緊力過小時,機組運行中塔筒法蘭面會有橫向剪切力作用,對螺栓造成直接傷害；安裝時法蘭面需要對螺栓孔,兩個法蘭面的螺栓孔有一定的余量,可能會錯位,使得螺栓穿入螺栓孔余量極小,造成安裝時就對螺栓存在剪切力和摩擦力。以上幾點是主要對螺栓造成損傷的原因。

3 3D 全聚焦相控陣超聲技術產品及風電應用情況

3.1 檢測設備介紹

本研究所使用設備優勢：（1） 依據全聚焦重構算法模型,圖像刷新率最高可達50 fps。（2） 擁有64個全并行的相控陣硬件通道,可實時采集4 096 條原始數據,穿透能力可達2 m 長。（3） 3D 縱波全聚焦技術的探頭使用多陣元探頭,實現全聚焦成像。

針對風電場風機螺栓進行檢測,利用同型號規格螺栓,調節檢測靈敏度。設備調試過程：根據現場實際螺栓規格型號調整參數,如M35×300 mm 螺栓,參數調整,見圖3。

圖3 參數調整區域

當檢測面為螺栓螺紋端（如塔筒螺栓）：建議根據螺紋波顯示調節檢測靈敏度,調節dB 至螺紋波清晰可見即可,采用此方法至少需要在現場的五根螺栓上連續測試,確定檢測靈敏度,見圖4。

圖4 靈敏度檢測圖

當檢測面為螺帽端（如葉片螺栓）：建議調節dB至底波清晰可見,且在不起雜波的情況下盡可能提高dB 值,采用此方法至少需要在現場的五根螺栓上連續測試,確定檢測靈敏度,見圖5。

圖5 利用底波調節靈敏度檢測圖

3.2 風電螺栓檢測應用案例

某風電場機組葉根螺栓規格M36×458,通過3D全聚焦相控陣超聲檢測發現螺栓內部存在細微缺陷,但外表完好。

為驗證全聚焦技術檢測結果準確性,將檢測螺栓送到國檢進行緊固件磁粉檢測和金相檢測,磁粉檢測后,結果表現為螺栓正常。因缺陷在螺栓內部磁粉無法發現,通過金相檢測,發現螺栓存在徑向深度為11.338 mm,寬度為0.015 mm 的微小裂紋,螺紋牙側存在深度為0.108 mm、寬度為0.124 mm 的裂紋,充分說明3D 全聚焦相控陣探傷檢測的結果精準可靠,見圖6。

圖6 裂紋位置

4 結論

本研究對風電機組高強度螺栓無損探傷,使用3D全聚焦相控陣技術,可實現在三維空間內采集螺栓內部數據信息,識別缺陷損傷,本文無損檢測方法缺陷識別率高,同時能夠有效保證立體圖像清晰明了,通過數據切片查看缺陷部位裂紋損傷的位置情況。因此能夠快速便捷地為在高強度在役螺栓提供精確檢測依據。