在役風(fēng)電螺栓的相控陣超聲檢測

王 磊

(山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

近幾年我國的大型風(fēng)電機(jī)組行業(yè)發(fā)展迅猛,風(fēng)電機(jī)組的可靠性和質(zhì)量安全也越來越受到重視。螺栓連接是風(fēng)電機(jī)組中最主要的連接方式之一,機(jī)組的主要部件幾乎全部采用螺栓連接，因此螺栓的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的可靠運(yùn)行。由于螺栓除了需要承受復(fù)雜的應(yīng)力和腐蝕作用外,還要同時(shí)承受溫度變化的沖擊和侵蝕,螺紋連接部分容易產(chǎn)生疲勞性的裂紋而導(dǎo)致斷裂，所以需要對(duì)在役的螺栓進(jìn)行定期檢測,以有效減小風(fēng)電設(shè)備潛在的倒塌風(fēng)險(xiǎn)。

利用傳統(tǒng)的磁粉或超聲波檢測在役螺栓存在一定的局限性，因?yàn)椋孩僭谝勐菟ù蟛糠职惭b在工件中,僅露出端頭一部分,在不拆卸的情況下,磁粉檢測無法進(jìn)行;②在役的螺栓是細(xì)長的圓柱體且開有螺紋,螺栓螺牙紋上的缺陷常規(guī)超聲難以檢測,極易漏檢;③常規(guī)超聲檢測無法記錄數(shù)據(jù)或記錄缺陷,無可追溯性。針對(duì)在役風(fēng)電螺栓檢測的難點(diǎn),本文運(yùn)用相控陣檢測系統(tǒng),采用相控陣超聲檢測技術(shù)搭配專用的相控陣探頭在螺栓頭部進(jìn)行檢測,可以檢測出螺栓螺紋部位的缺陷。

1 相控陣超聲檢測螺栓原理

圖1為相控陣超聲檢測螺栓原理。使用微型探頭陣列產(chǎn)生超聲波束，通過建立聚焦法使電子裝置控制每個(gè)陣列單元的發(fā)射和接收時(shí)間，從而產(chǎn)生出多個(gè)超聲波束，通過控制陣列的激發(fā)和接收時(shí)間控制波束角度、聚焦深度、尺寸等,實(shí)現(xiàn)工件的掃描成像。利用相探陣的扇形聲束掃描螺栓，采用縱波垂直和小角度傾斜入射使聲場能夠覆蓋整個(gè)螺栓的螺紋區(qū)域,并且能夠通過改變聚焦深度來提高檢測分辨力；通過圖像顯示和波形顯示相結(jié)合的方式，能更好地辨別缺陷波和干擾波。

與傳統(tǒng)檢測方法相比,相控陣超聲檢測螺栓優(yōu)勢明顯,主要解決了檢測中的幾大問題:①相控陣探頭只接觸螺栓頭部便可利用扇形聲束確保檢測到整根螺栓；②相控陣采用二維或三維成像組合顯示,使超聲檢測結(jié)果更加直觀,評(píng)定更方便；③相控陣檢測使用編碼器記錄數(shù)據(jù),檢測的每一根螺栓都可以保存一條數(shù)據(jù),每一次檢測均具有可追溯性。

圖1 相控陣超聲檢測螺栓原理

2 在役螺栓的檢驗(yàn)試驗(yàn)分析

2.1 檢測系統(tǒng)參數(shù)的選擇

正確地選擇參數(shù)對(duì)于有效地檢測和發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷的定位、定量甚至是穩(wěn)定性來說都是至關(guān)重要的。

檢測裝置選用HS PA20相控陣裂紋檢測儀,考慮到在役螺栓具體的檢測要求,采用直探頭進(jìn)行縱波扇形掃查,檢測探頭選用5L32一維線性陣列扇形探頭。檢測儀掃查起始角度為-30°～30°,角度步進(jìn)為0.5°,檢測儀掃查深度設(shè)置在容易出現(xiàn)裂紋的螺紋區(qū)域。

對(duì)比試塊由被檢螺栓加工而成，即選用M30×250 mm六角頭螺栓，螺紋長度為50 mm，材質(zhì)為42CrMoA。采用A掃功能找到250 mm的底面一次波和二次波的最高反射波來調(diào)節(jié)探頭零點(diǎn)和聲速。靈敏度調(diào)節(jié)選用Φ1平底孔為基準(zhǔn)靈敏度，選用底波調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完基準(zhǔn)靈敏度后再增加6 dB作為初始掃查靈敏度。

2.2 實(shí)物檢測

2.2.1 無缺陷的M30×250 mm六角頭螺栓檢測

當(dāng)聲束從螺栓頭部進(jìn)入無缺陷的螺栓時(shí),反射回波如圖2所示。圖2左側(cè)圖形是A掃圖像，右側(cè)圖形是S掃圖像。A掃圖像中底波外螺紋處的反射波呈現(xiàn)“山”字形狀,相鄰的回波波幅出現(xiàn)階梯狀的梯度；S掃顯示比較直觀,螺紋反射波有規(guī)則地排列,由上到下螺紋反射波影像由深入淺。

圖2 無缺陷螺栓的反射波和影像

2.2.2 螺紋部位有裂紋的M30×250 mm螺栓檢測

有裂紋的M30×250 mm螺栓如圖3所示。聲束從螺栓頭部進(jìn)入時(shí)的反射回波如圖4所示，聲束從螺栓底部進(jìn)入時(shí)的反射回波如圖5所示。

圖3 有裂紋的M30×250 mm螺栓

由圖4可以看出：由于超聲波掃描到螺紋根部裂紋，因此A掃圖像形成一處比較尖銳的反射回波,這個(gè)反射回波比螺紋處的反射回波要高很多,從而使螺紋處的反射波"山"字回波破壞減弱；S掃顯示，裂紋一側(cè)的螺紋反射波有規(guī)則的排列也在裂紋處變得不規(guī)則,裂紋處的顯示明顯加強(qiáng)了顯示面積和顯示顏色,裂紋以下的螺紋反射波的基本顯示也不明顯;通過定位可以確定缺陷位置在距離螺栓頭部210 mm處。

圖4 聲束從螺栓頭部進(jìn)入時(shí)螺紋根部裂紋反射波形和影像

由圖5可以看出：A掃圖像出現(xiàn)了比較尖銳的反射回波,基本上無螺紋反射波；S掃顯示，有裂紋一側(cè)的螺紋反射波有規(guī)則的排列也在裂紋處變得不規(guī)則,裂紋處的基本顯示圖像變大、顏色變深;通過定位可以確定缺陷位置在距離螺栓底部40 mm處,與端部檢測的深度一致。

2.2.3 有多處缺陷的M48×450六角頭螺栓模擬試件檢測

常見的風(fēng)電螺栓規(guī)格為M30～M64,長度為150 mm～450 mm。選取材質(zhì)為42CrMoA的M48×450六角頭螺栓作為模擬試塊,并在該試塊上加工人工缺陷,即選擇螺紋距端頭300 mm、350 mm、400 mm、420 mm處各加工長度為10 mm、深度為1 mm的刻槽,刻槽均垂直于螺紋軸線。模擬試塊示意圖如圖6所示。

圖5 聲束從螺栓底部進(jìn)入時(shí)螺紋根部裂紋反射波形和影像

圖6 模擬試塊示意圖

對(duì)模擬試塊從試塊頭部進(jìn)行測試,檢測結(jié)果如表1所示。

表1 從試塊頭部進(jìn)行掃查的檢測結(jié)果

通過測試，扇形掃描圖中300 mm～450 mm之間的4處人工缺陷均能夠發(fā)現(xiàn)，且清晰顯示，如圖7所示。

圖7 聲束從試塊頭部進(jìn)入時(shí)螺紋根部裂紋反射波形和影像

從試塊頭部進(jìn)行檢測，試塊螺紋處離端部比較遠(yuǎn)，仍然可以清晰地顯示出缺陷，由此可見該一維相控陣探頭檢測的范圍完全覆蓋了常規(guī)風(fēng)電螺栓的螺紋部分，并且可以檢測出一個(gè)螺栓上的多處缺陷，能量可以均勻地發(fā)射到螺栓底部，不會(huì)像傳統(tǒng)超聲波對(duì)一處的缺陷進(jìn)行反射而衰減，從而對(duì)其他缺陷造成漏檢和錯(cuò)檢。從試塊頭部進(jìn)行檢測,由于螺紋處離端部比較遠(yuǎn),避開了檢測的盲區(qū),且缺陷和螺紋的對(duì)比度比較大,便于檢測和評(píng)判。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)證實(shí)了相控陣超聲檢測技術(shù)搭配專用的相控陣探頭對(duì)螺栓頭部進(jìn)行檢測,能檢測出在役螺栓的裂紋缺陷。定期對(duì)在役螺栓進(jìn)行檢測,可大大降低安全隱患。