3D 全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組螺栓無損探傷中的應(yīng)用

李 旺,黃小清,周偉強(qiáng),黃 平,程慶陽,李洪任,王東利

（1.國(guó)家能源集團(tuán)湖南電力有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.國(guó)家能源集團(tuán)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(shí)現(xiàn)3060 雙碳目標(biāo)戰(zhàn)略背景下,國(guó)家綠色能源逐步加大占比。隨著風(fēng)電快速發(fā)展,出現(xiàn)很多螺栓損傷造成的質(zhì)量事件。因此一種高精度快速全方位檢測(cè)螺栓方法是非常必要的。風(fēng)電螺栓具有多樣性、材質(zhì)種類繁多,本文考慮到復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景,螺栓無損檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺失的一部分,相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用[1-4]。針對(duì)風(fēng)電行業(yè)主要應(yīng)用于螺栓成品檢測(cè)、在役機(jī)組螺栓無損檢測(cè)等。本文所提全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是無損探傷檢測(cè)領(lǐng)域中一個(gè)重要分支[5]。

傳統(tǒng)的相控陣技術(shù)是根據(jù)發(fā)射多點(diǎn)進(jìn)行聚焦。陣元列面組的激發(fā)次數(shù)會(huì)對(duì)圖像刷新了產(chǎn)生直接影響,因此與傳統(tǒng)相比較,高分辨聚焦檢測(cè)能力是一大優(yōu)勢(shì)。在風(fēng)電行業(yè)高強(qiáng)度螺栓檢測(cè)中,本文中相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有在檢測(cè)速度、缺陷損傷定位精準(zhǔn)度高、三維立體成像、操作簡(jiǎn)單、判斷直觀等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[6-7]。

1 3D 全聚焦系統(tǒng)原理

基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的相控陣全聚焦超聲成像檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)具有的分辨力高,算法具有靈活高效等優(yōu)點(diǎn)[8],成像系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和圖像重構(gòu)相結(jié)合,見圖1。

圖1 成像原理構(gòu)成

全聚焦采集技術(shù),數(shù)據(jù)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(shè)備原理說明：（1） 首先將列面陣的第一個(gè)陣元激發(fā)信號(hào),其他陣元全都接收回波；（2） 然后逐次激發(fā)其他陣元發(fā)射信號(hào),所有陣元接收回波,并完成數(shù)據(jù)保存,直到完成最后一個(gè)陣元激發(fā),所有陣元接收完所有信號(hào),得到一個(gè)含4 096 個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)集。如圖2 所示。

圖2 全矩陣數(shù)據(jù)采集算法原理

在探頭前方被測(cè)物體上設(shè)置一個(gè)目標(biāo)區(qū),包含若干個(gè)(網(wǎng)格化區(qū)域,默認(rèn)65 536 個(gè)點(diǎn),可通過插值增加點(diǎn)數(shù))像素點(diǎn),也就是信號(hào)聚焦點(diǎn)。各個(gè)陣元接收到的4 096 個(gè)回波信號(hào),對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)聚焦計(jì)算,同時(shí)進(jìn)行相位相干疊加處理。以點(diǎn)(x,z)為例,得到該點(diǎn)的超聲回波幅值,將全矩陣數(shù)據(jù)集信號(hào)在該點(diǎn)處進(jìn)行疊加。該點(diǎn)幅值I(x,z)可表示為公式（1）：

式中：exi,xj[ti,j(x,z)]為發(fā)射列面陣元i、接收陣元j,信號(hào)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(fā)射傳遞到點(diǎn)(x,z),再?gòu)狞c(diǎn)(x,z)返到陣元j 時(shí)所需的延時(shí)時(shí)間。其中ti,j(x,z)可表示為公式（2）：

式中：xi為發(fā)射列面陣元的橫坐標(biāo)的數(shù)值；xj為接收列面陣元的橫坐標(biāo)的數(shù)值；c 為被檢測(cè)物體中超聲波縱波的傳播速度。

2 風(fēng)電領(lǐng)域螺栓基本情況

高強(qiáng)度螺栓是大型風(fēng)電機(jī)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(qiáng)度螺栓,風(fēng)電機(jī)組承受著復(fù)雜的交變荷載,如風(fēng)載、機(jī)組運(yùn)行啟停機(jī)荷載、溫度變化荷載等。螺栓安裝工藝分析：在大型機(jī)械設(shè)備螺栓預(yù)緊力大多選用力矩扳手,精度一般在10%左右。當(dāng)螺栓預(yù)緊力過大時(shí),螺栓所受拉力處在過大狀態(tài),長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成內(nèi)部拉傷；當(dāng)螺栓預(yù)緊力過小時(shí),機(jī)組運(yùn)行中塔筒法蘭面會(huì)有橫向剪切力作用,對(duì)螺栓造成直接傷害；安裝時(shí)法蘭面需要對(duì)螺栓孔,兩個(gè)法蘭面的螺栓孔有一定的余量,可能會(huì)錯(cuò)位,使得螺栓穿入螺栓孔余量極小,造成安裝時(shí)就對(duì)螺栓存在剪切力和摩擦力。以上幾點(diǎn)是主要對(duì)螺栓造成損傷的原因。

3 3D 全聚焦相控陣超聲技術(shù)產(chǎn)品及風(fēng)電應(yīng)用情況

3.1 檢測(cè)設(shè)備介紹

本研究所使用設(shè)備優(yōu)勢(shì)：（1） 依據(jù)全聚焦重構(gòu)算法模型,圖像刷新率最高可達(dá)50 fps。（2） 擁有64個(gè)全并行的相控陣硬件通道,可實(shí)時(shí)采集4 096 條原始數(shù)據(jù),穿透能力可達(dá)2 m 長(zhǎng)。（3） 3D 縱波全聚焦技術(shù)的探頭使用多陣元探頭,實(shí)現(xiàn)全聚焦成像。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)螺栓進(jìn)行檢測(cè),利用同型號(hào)規(guī)格螺栓,調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度。設(shè)備調(diào)試過程：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際螺栓規(guī)格型號(hào)調(diào)整參數(shù),如M35×300 mm 螺栓,參數(shù)調(diào)整,見圖3。

圖3 參數(shù)調(diào)整區(qū)域

當(dāng)檢測(cè)面為螺栓螺紋端（如塔筒螺栓）：建議根據(jù)螺紋波顯示調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度,調(diào)節(jié)dB 至螺紋波清晰可見即可,采用此方法至少需要在現(xiàn)場(chǎng)的五根螺栓上連續(xù)測(cè)試,確定檢測(cè)靈敏度,見圖4。

圖4 靈敏度檢測(cè)圖

當(dāng)檢測(cè)面為螺帽端（如葉片螺栓）：建議調(diào)節(jié)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(xiàn)場(chǎng)的五根螺栓上連續(xù)測(cè)試,確定檢測(cè)靈敏度,見圖5。

圖5 利用底波調(diào)節(jié)靈敏度檢測(cè)圖

3.2 風(fēng)電螺栓檢測(cè)應(yīng)用案例

某風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉根螺栓規(guī)格M36×458,通過3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)螺栓內(nèi)部存在細(xì)微缺陷,但外表完好。

為驗(yàn)證全聚焦技術(shù)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性,將檢測(cè)螺栓送到國(guó)檢進(jìn)行緊固件磁粉檢測(cè)和金相檢測(cè),磁粉檢測(cè)后,結(jié)果表現(xiàn)為螺栓正常。因缺陷在螺栓內(nèi)部磁粉無法發(fā)現(xiàn),通過金相檢測(cè),發(fā)現(xiàn)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(cè)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(cè)的結(jié)果精準(zhǔn)可靠,見圖6。

圖6 裂紋位置

4 結(jié)論

本研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓無損探傷,使用3D全聚焦相控陣技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)采集螺栓內(nèi)部數(shù)據(jù)信息,識(shí)別缺陷損傷,本文無損檢測(cè)方法缺陷識(shí)別率高,同時(shí)能夠有效保證立體圖像清晰明了,通過數(shù)據(jù)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(qiáng)度在役螺栓提供精確檢測(cè)依據(jù)。