法蘭螺柱原位超聲無損檢測技術(shù)研究

趙勁彪，馮 超，居 龍，黎定仕，平仕良

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

原位檢測是指機(jī)件、設(shè)備和系統(tǒng)不經(jīng)拆卸，在原來安裝位置上進(jìn)行的檢查和測試，杜絕因拆裝不當(dāng)造成的人為故障和損傷[1]。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)外R區(qū)、油箱壁板等檢測[2-4]，同時在鐵路也有相關(guān)應(yīng)用[5]。超聲波檢測手段作為原位檢測技術(shù)一種，主要用于內(nèi)部缺陷的探測；具有靈敏度高，檢測便捷的優(yōu)勢[6-7]。通過縮比法蘭試驗，驗證超聲檢測具備檢測法蘭螺柱裂紋能力，精度為裂紋深度3 mm，滿足日常維護(hù)要求。目前已成功應(yīng)用在航天發(fā)射場設(shè)備維護(hù)使用中，可為其他類似產(chǎn)品維護(hù)提供參考。

1 超聲檢測原理及方法

圖1 超聲波脈沖反射法檢測原理圖

超聲波脈沖反射法的工作原理如圖1所示，超聲波探傷儀激勵超聲探頭，發(fā)射超聲脈沖縱波信號并垂直入射至被檢工件，超聲波在被檢工件內(nèi)部傳播過程中遇到缺陷(異質(zhì))時，在缺陷表面形成反射波，反射回波被探頭接收，經(jīng)過處理后在探傷儀的顯示屏上顯示出回波波形，根據(jù)顯示的回波信號檢測被檢件內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷位置，并可依據(jù)回波信號幅度評估缺陷當(dāng)量。

圖2 超聲波脈沖反射法檢測螺柱示意圖

法蘭螺柱在工作狀態(tài)主要受預(yù)緊力載荷作用，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，螺柱缺陷主要為螺紋根部裂紋缺陷。連接螺柱在工作狀態(tài)下，通過螺柱端面對螺柱進(jìn)行檢測，從而對缺陷進(jìn)行判定。受螺柱自身螺紋結(jié)構(gòu)的影響，超聲波檢測時，聲束在螺紋上多次反射并產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，使反射回波復(fù)雜紛亂，造成缺陷辨識非常困難(圖2)。因此，需要選擇合適的檢測靈敏度，才能有效地區(qū)分出螺紋反射信號和裂紋缺陷反射信號。

2 縮比法蘭試驗

2.1 試驗前準(zhǔn)備

為驗證超聲檢測方法檢測螺柱裂紋的可行性，取4個螺柱(規(guī)格：與實際產(chǎn)品狀態(tài)一致，長度為320 mm)，2個法蘭試驗，對1#螺柱進(jìn)行預(yù)制裂紋，其中3個螺柱不制裂紋，作為對比，裂紋位置如圖3。

圖3 裂紋預(yù)制情況

2.2 縮比法蘭試驗

4個螺柱與縮比法蘭裝配圖如圖4所示。分別從1#螺柱A、B端面進(jìn)行檢測，試驗結(jié)果如圖5所示；數(shù)據(jù)表明超聲檢測可以達(dá)精度3 mm深度裂紋，具體檢測數(shù)據(jù)見表1；為提高精度，繼續(xù)提高增益值，對未制裂紋的其他螺柱進(jìn)行檢測，試驗結(jié)果出現(xiàn)雜亂信號見圖6，因此增益值不能提高。因此，經(jīng)縮比法蘭試驗驗證：超聲檢測可以檢測出深度最小為3 mm裂紋位置。

圖4 法蘭裝配圖

圖5 1#螺柱檢測結(jié)果圖

圖6 其他螺柱增益提高檢測結(jié)果圖

表1 檢測1#螺柱裂紋位置數(shù)據(jù)匯總

3 應(yīng)用情況

在某濱海發(fā)射場，對某型設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢查；對其主要承載連接螺柱進(jìn)行原位超聲檢測，螺柱分布見圖7。經(jīng)過現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)螺柱均無裂紋(圖8)，表明設(shè)備連接螺柱結(jié)構(gòu)完好，狀態(tài)正常。

圖7 螺柱分布示意圖 圖8 現(xiàn)場檢測螺柱情況(顯示無裂紋)

4 結(jié)語

法蘭螺柱原位超聲無損檢測技術(shù)研究，解決了處于安裝位置連接螺柱的檢測裂紋難題，避免了拆卸設(shè)備、檢測效率低等缺點，并且能保證3 mm裂紋檢測精度。本技術(shù)的應(yīng)用可為大型設(shè)備螺柱檢查提供參考。對后續(xù)應(yīng)用過程中有以下建議：

1)將日常維護(hù)螺柱超聲測試數(shù)據(jù)匯總，建立設(shè)備連接螺柱健康管理數(shù)據(jù)包；

2)繼續(xù)調(diào)研測試手段或測試設(shè)備，進(jìn)一步提高裂紋檢測精度；

3)開展3 mm以下裂紋對螺柱承載力學(xué)性能分析，確定其具體螺柱裂紋安全閾值；

4)對現(xiàn)場原位檢測過程中，部分螺柱因空間局限難以檢測情況，設(shè)計相應(yīng)工裝配合檢測，實現(xiàn)檢測范圍區(qū)域全覆蓋。