探討火電廠緊固螺栓的相控陣檢測的應(yīng)用

肖波

湖南火電建設(shè)有限公司 湖南長沙 410000

緊固螺栓主要應(yīng)用于火電廠重要機械部件連接位置，其通常情況下處于高應(yīng)力、高溫環(huán)境，預(yù)緊力較大。螺栓的部件極易出現(xiàn)裂紋，發(fā)生斷裂，這使得火電廠工作排查重點是嚴(yán)格檢測螺栓部件，及時發(fā)現(xiàn)細小損傷和裂紋。因此，有必要分析相控陣檢測方式在緊固螺栓檢測中的應(yīng)用，為檢修工作提供技術(shù)支持。

1 相控陣檢測概述

緊固螺栓常見的檢測方式是超聲檢測或表面檢測，這些方式可以發(fā)現(xiàn)深度超過1mm的裂紋，但信噪比和靈敏度不高[1]。而相控陣檢測技術(shù)屬于新式的無損檢測模式，當(dāng)探頭固定時，利用軟件可以調(diào)整聲束的實際偏轉(zhuǎn)角度，掃查螺栓截面。借助聚焦功能提升檢測工作的信噪比、靈敏度、分辨力，提高技術(shù)可靠性，保持信息數(shù)據(jù)，通過多種投影方向得到檢測圖形。超聲陣列換能器是開展檢測工作的關(guān)鍵設(shè)備，其可以在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)發(fā)出超聲束。借助惠更斯原理，能夠合成疊加超聲子波束，此過程相當(dāng)于相控陣發(fā)射階段。相控陣主要特點是通過軟件調(diào)節(jié)超聲波束，借助聚焦和偏轉(zhuǎn)形式對緊固螺栓完成檢測。

2 火電廠緊固螺栓相控陣檢測過程分析

2.1 縱波扇掃

（1）設(shè)備分析。傳統(tǒng)超聲波螺紋檢測技術(shù)可以檢測出槽深超過1mm的裂紋，不過其齒面和結(jié)構(gòu)面上會出現(xiàn)干擾波、變形波，降低檢測信噪比。利用相控陣檢測方式可以實現(xiàn)聲束的聚焦、掃查、偏轉(zhuǎn)，在固定探頭基礎(chǔ)上針對缺陷區(qū)域完成掃查，完成視圖成像，識別和判定缺陷。本課題將火電廠主蒸汽發(fā)生器內(nèi)的緊固螺栓當(dāng)作檢測對象，其包含EDM槽。針對1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#螺栓完成相控陣檢測，其探頭在螺栓端部，內(nèi)部第一晶片處于螺栓內(nèi)圓心位置，可以完成縱波0-75°的掃查。課題中選擇Phascan（32/64）型號的超聲相控陣檢測儀開展工作，由于探頭需要放置在端面位置，進而完成縱波扇掃檢測工作，因此建議選取一維線性陣列探頭。其參數(shù)如下：陣元個數(shù)是32，頻率是5MHz，其間距是0．6mm。探頭孔徑最大值是32mm×0．6mm×10mm，其激發(fā)陣元數(shù)量是32，且扇掃的角度步進值為0．5°。

（2）螺栓檢測過程。本課題主要對帶有中心孔的螺栓進行檢測，其步驟如下：（1）將探頭置于螺栓端面平整位置，與中心孔間隔一段距離。（2）采取環(huán)繞掃查的方式，使聲束豎向發(fā)射至螺栓內(nèi)部，對其進行整體檢測。（3）獲取螺栓完整清晰的扇掃圖像。相控陣列借助偏轉(zhuǎn)和聚焦的方式，利用反射波顯示圖像。若掃射完成后螺栓無裂紋，則可以清晰反映螺紋信號。正常情況下信號間隔均勻，隨著掃射深度的增加，其顏色逐漸變淺。（4）如果螺紋中出現(xiàn)裂紋會破壞螺栓信號，其中會產(chǎn)生異常信號，圖像中深顏色區(qū)域?qū)儆诹鸭y區(qū)，且裂紋深度和獲取信號的幅度密切相關(guān)。通過對螺紋端面130mm的位置進行檢測后發(fā)現(xiàn)，信號可以發(fā)射至深度是0．5mm的刻槽裂紋，該技術(shù)信噪比、靈敏度較高。當(dāng)檢測深度相同時，人工刻槽尺寸和回波幅度密切相關(guān)，因此缺陷圖像的顏色較深。

2.2 螺栓橫波斷面檢測

若需要檢測中心孔內(nèi)部或在螺栓端面中無法放置縱波垂直探頭時，應(yīng)借助相控陣探頭完成橫波檢測[2]。該過程的工具主要選擇線性一維探頭，參數(shù)包含以下內(nèi)容：頻率設(shè)置為2．5mMHz，陣元數(shù)量是16。其扇掃面角度范圍是35°-70°，步進值0．5°，螺栓表面的曲率和探頭楔塊相互對應(yīng)。主要檢測過程如下：（1）在螺栓的光桿位置放置陣列探頭，將螺栓下側(cè)作為檢測部位，通過移動探頭找尋螺紋的反射波。正常情況下會產(chǎn)生大約10個螺紋波，其中不會出現(xiàn)明顯雜波。（2）調(diào)節(jié)螺紋最大的反射波，提升3dB優(yōu)化其靈敏度，環(huán)繞螺栓完成檢查。（3）若扇掃過程中出現(xiàn)回波異常信號且存在色差，則說明螺栓位置出現(xiàn)裂紋。

2.3 檢測結(jié)果分析

第一，圖像顯示效果強于波形類型，且通過控制聲束方向、焦點深度、焦點尺寸，提升了檢測靈敏度、信噪比和分辨力。經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#螺栓相控陣檢測后，當(dāng)其探頭處于螺栓端部時，縱波扇掃范圍是0-75°，可以檢測出深度是70mm，寬度是0．2mm的裂紋。

第二，經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)，人工刻槽周邊螺紋信號急劇降低，直至第五個信號才恢復(fù)正常，可以借助信號實際情況分析異常情況，通常情況下螺紋信號間隔是4mm。因此，相控陣橫波檢測螺栓在定位和定量方面均可以滿足靈敏度和標(biāo)準(zhǔn)需求，能夠提升缺陷查找效率。

第三，超聲相控陣掃查階段，到達螺紋的波束相當(dāng)于聚焦主聲束，其聲壓超過直探頭位置的副瓣，因此能夠極大程度地提升該技術(shù)靈敏性。同時，相控陣聲束的角度可任意調(diào)整，進而向螺紋根部裂紋完成垂直檢測，提高裂紋反射率和信噪比。相控陣能夠借助扇形圖像顯示不同角度的反射波，在檢測過程中螺紋信號清晰、穩(wěn)定，不會出現(xiàn)雜波問題，間隔穩(wěn)定。若螺紋中出現(xiàn)裂紋，會產(chǎn)生異常信號，該信號在圖像中存在色差。因此，可以借助相控陣完成扇掃圖像，能夠得出螺紋的二維圖像，準(zhǔn)確識別缺陷，提升檢測工作的可靠性和準(zhǔn)確度[3]。

3 結(jié)論

經(jīng)過檢測試驗分析，火電廠緊固螺栓相控陣檢測模式可以分析出深度是70mm，寬度是0．2mm的加工裂紋缺陷。同時，借助手動方式在螺栓端面完成扇形掃查，檢測范圍為6mm-7mm，能夠有效提升信噪比，提高裂紋的可識別度，檢測結(jié)果可靠穩(wěn)定，且相控陣檢測方式具有較強的靈敏度，便于應(yīng)用和推廣。