張 洋，柴麗文，于 達(dá)，李 輝

（天津誠信達(dá)金屬檢測技術(shù)有限公司，天津300384）

目前采用常規(guī)超聲波檢測螺栓技術(shù)應(yīng)用較成熟，盡管可有效檢出≥1 mm 槽深當(dāng)量的裂紋，但也存在很多問題[1]。受螺栓結(jié)構(gòu)和齒面產(chǎn)生的變形波、干擾波影響，常規(guī)超聲檢測信噪比低[2-7]。疲勞裂紋走向復(fù)雜，而縱波直探頭聲束單一，易漏檢。在役設(shè)備檢測空間有限，探頭可達(dá)性差，檢測靈敏度低。

超聲相控陣檢測技術(shù)相比于常規(guī)超聲波檢測技術(shù)，有其獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠控制聲束掃查、聚焦和偏轉(zhuǎn)，能夠在不移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)較大角度范圍的掃查?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的各種視圖成像，檢測結(jié)果直觀，便于對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別與判定。圖像顯示優(yōu)于波形顯示，易于分辨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波形，能夠?qū)?fù)雜幾何形狀工件進(jìn)行檢測。通過控制焦點(diǎn)尺寸、焦點(diǎn)深度和聲束方向，提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能[8]。

本研究針對(duì)有中心孔和檢測面有頂針孔的高溫緊固螺栓，采用相控陣縱波端面檢測和相控陣橫波檢測兩種方法，研究了掃查方法、檢測能力、靈敏度、信噪比等影響檢測工藝的主要因素，重點(diǎn)分析了模擬裂紋大小、檢測深度、檢測位置對(duì)檢測結(jié)果的影響，可為制定合理的檢測工藝提供借鑒。

1 螺栓試樣

螺栓試樣按NB/T 47027 —2012 《壓力容器法蘭用緊固件》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選擇內(nèi)部無缺陷的螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，在該螺栓上加工不同深度的人工刻槽，用人工刻槽來模擬裂紋[6]。選擇帶中心孔和檢測面有頂針孔的螺栓試樣，尺寸如圖1 所示。

圖1 螺栓試樣尺寸示意圖 （單位：mm）

人工刻槽均垂直于螺栓軸線，長度均為10 mm，開口寬度均為 0.25 mm，螺栓 LS-1 材質(zhì)為45Cr1MoV，螺栓LS-2 材質(zhì)為2Cr11Mo1Ni-WVNbN，具體人工刻槽特征見表1。

表1 螺栓試樣及人工刻槽位置

2 相控陣縱波端面檢測螺栓

2.1 相控陣儀器、探頭選擇

選用Phascan （32/64）超聲相控陣便攜式檢測儀，考慮采用探頭放在端面，小范圍縱波扇掃檢測，選擇一維線性陣列探頭，具體參數(shù)為：頻率 5 MHz，共 32 個(gè)陣元，陣元間距為 0.6 mm，最大探頭孔徑可達(dá)32 mm×0.6 mm×10 mm。激發(fā)陣元數(shù)為 32，扇掃角度選擇-30°～+30°，扇掃角度步進(jìn) 0.5°。

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.2.1 超聲相控陣扇掃檢測螺栓

選用帶有中心孔的螺栓LS-1 進(jìn)行檢測，探頭放置在螺栓平整的端面，避開中心孔，環(huán)繞掃查，聲束軸向射入螺栓內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的整體檢測，可得到清晰的螺栓扇掃圖像，如圖2所示。

圖2 LS-1 螺栓超聲相控陣縱波檢測扇掃圖

由圖2 可知，超聲相控陣?yán)镁劢购推D(zhuǎn)特性，將各個(gè)角度的反射波通過扇掃圖清晰顯示出來。當(dāng)無缺陷時(shí)，螺紋信號(hào)穩(wěn)定清晰、間隔均勻，沿著深度方向能量逐漸降低，圖像顏色也隨之變淺。當(dāng)螺栓中存在裂紋時(shí)，均勻的螺栓信號(hào)將被破壞，間隔中出現(xiàn)異常裂紋信號(hào)，與其相鄰螺栓信號(hào)存在顏色突變，信號(hào)幅度與裂紋深度相關(guān)。

2.2.2 模擬裂紋大小對(duì)圖像的影響

為定量研究不同大小模擬裂紋的圖像特點(diǎn)，試驗(yàn)選用螺栓試樣LS-1，選用距螺栓A 側(cè)端面130 mm 處的 0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm深的刻槽來研究同一檢測深度不同大小模擬裂紋的圖像特征。

將距螺栓A 側(cè)端面130 mm 處1.0 mm 深的刻槽反射回波調(diào)整到滿屏80%作為基準(zhǔn)靈敏度，再增益6 dB 作為檢測靈敏度。分別對(duì)0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 深的刻槽進(jìn)行掃查，如圖3 所示。

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在扇形掃描圖上有一異常信號(hào)與其相鄰螺紋信號(hào)存在色差，對(duì)應(yīng)于右側(cè)A 掃波形圖中的異常反射回波，從位置上可以認(rèn)定其為人工刻槽造成的異常回波。從圖上可以直觀地分析出哪個(gè)掃查角度的反射波最高和距螺栓端面的位置，以及由右側(cè)A 掃圖進(jìn)行定量分析。

由圖3 可見，在當(dāng)前檢測系統(tǒng)的靈敏度水平下，距螺栓端面 130 mm 處的 0.5 mm 刻槽可以被發(fā)現(xiàn)，即相控陣超聲檢測螺栓可有效發(fā)現(xiàn)0.5 mm 槽深當(dāng)量的裂紋，靈敏度和信噪比都比較高。對(duì)不同尺寸刻槽當(dāng)量回波幅度和信噪比進(jìn)行比較分析，如圖4 所示。

圖3 同一檢測深度不同尺寸刻槽扇掃圖比較

圖4 不同尺寸刻槽回波幅度與信噪比關(guān)系

由圖4 可知，同一檢測深度，在相同檢測靈敏度下，人工刻槽尺寸越大，回波幅度越大，信噪比也越大，缺陷圖像的顏色也越深。

2.2.3 檢測深度對(duì)圖像、靈敏度及信噪比的影響

試驗(yàn)使用螺栓試樣LS-1 上距A 側(cè)端面不同深度處1 mm 刻槽，人工刻槽位置在螺栓的35 mm、50 mm、70 mm、110 mm、130 mm 處。

將距螺栓 A 側(cè)端面 130 mm 處 1.0 mm 深的刻槽反射回波調(diào)整到滿屏80%作為基準(zhǔn)靈敏度，再增益6 dB 作為檢測靈敏度，對(duì)螺栓端面掃查，以找出不同深度刻槽的最高反射波。圖5為4 個(gè)槽深1.0 mm 的人工刻槽在不同檢測深度的最高回波，其中35 mm 處的人工刻槽未能發(fā)現(xiàn)。

圖5 不同深度處相同尺寸刻槽扇掃圖比較

由圖5 分析可知，4 處異常信號(hào)在扇掃圖上顯示清晰，與螺栓上的刻槽位置相符，可以直觀分析出缺陷在哪個(gè)掃查角度的反射波最高。在相同增益條件下，不同深度、相同尺寸刻槽的反射能量是不同的，深的刻槽反射能量弱，遠(yuǎn)距離的刻槽容易漏檢。35 mm 處刻槽未被發(fā)現(xiàn)，這表明相控陣檢測螺栓存在盲區(qū)。50 mm 處刻槽的反射回波比較低，這是由于受菲涅耳區(qū)影響，干涉相消造成反射回波較低。

圖6 不同檢測深度、相同尺寸刻槽回波幅度與信噪比關(guān)系

分別對(duì)不同檢測深度、相同尺寸的人工刻槽進(jìn)行了最高回波幅度和信噪比的測量，如圖6 所示。除了50 mm 處刻槽受到菲涅耳區(qū)的影響外，回波幅度隨著深度的增加逐漸降低，這是由于聲束在螺栓內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生散射、畸變等因素造成聲能的減少。人工刻槽的信噪比隨著檢測深度的增加逐漸升高，這是由于螺紋回波逐漸降低，遠(yuǎn)低于人工刻槽的反射回波，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷是有利的。同時(shí)，距離螺栓端面越近的人工刻槽信噪比越低，再加上菲涅耳區(qū)對(duì)超聲波信號(hào)的干擾，會(huì)使得缺陷信號(hào)湮沒在雜波信號(hào)中。

2.2.4 檢測位置對(duì)圖像的影響

試驗(yàn)使用試樣LS-2 上距A 側(cè)端面不同深度處1 mm 的人工刻槽，刻槽深度在螺栓的35 mm、75 mm 處，兩處人工刻槽相隔180°分布。

該螺栓試樣有頂針孔，應(yīng)避開掃查，檢測位置選擇刻槽上方1/2 半徑處，如圖7 所示。

由圖7 可知，當(dāng)探頭在位置 1 時(shí)，35 mm 的人工刻槽未在聲束范圍內(nèi)； 當(dāng)探頭在位置2 時(shí)，兩處人工刻槽都在聲束范圍內(nèi)。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖7 檢測位置示意圖

圖8 當(dāng)探頭在位置1 時(shí)不同刻槽扇掃圖

圖9 當(dāng)探頭在位置2 時(shí)不同刻槽扇掃圖

由圖8 可知，75 mm 處的人工刻槽可以清楚顯示，35 mm 處的人工刻槽不在聲束角度范圍內(nèi)，因而無法顯示。圖中扇掃圖左側(cè)螺紋圖像只能顯示靠近探頭的螺栓上部螺紋，螺栓下部螺紋信號(hào)隨著深度增加而顯示不清或無法顯示。這是由于探頭位置偏邊緣，螺栓上部螺紋能被較大角度聲束覆蓋，螺紋反射面大，螺紋圖像顯示清晰； 螺栓下部螺紋被小角度聲束覆蓋，螺紋反射面小，螺紋圖像不清。扇掃圖右側(cè)螺紋圖像只能顯示螺栓下部螺紋，螺栓上部未被聲束覆蓋，不能檢測。螺栓下部被較大角度聲束覆蓋，螺紋反射面大，螺紋圖像清晰。

由圖9 可知，兩處人工刻槽都可以明顯顯示出來，35 mm 處人工刻槽顯示清晰，75 mm 處人工刻槽顯示不清晰。大角度聲束對(duì)螺栓下端部分的螺紋成像比小角度聲束的反射能量、信噪比都要高很多，顯示也更清晰。但對(duì)比圖8 和圖9 可知，75 mm 處的人工刻槽在不同檢測位置，反射能量差異很大。當(dāng)探頭在位置1 時(shí)，75 mm 處人工刻槽清晰顯示，在掃查角度7°時(shí)A 掃波幅最高。當(dāng)探頭在位置2 時(shí)，75 mm 處人工刻槽顯示不清，在掃查角度22°時(shí)A 掃波幅最高。這是由于人工刻槽均垂直于螺栓軸線，小角度聲束可以更好的發(fā)現(xiàn)這些人工刻槽。

由以上分析可知，同一缺陷可以在不同檢測位置檢測到，但得到的波高 （或信號(hào)顏色）是不同的，需要根據(jù)缺陷特征來選擇合理的檢測位置。為確保缺陷定量合理可靠，用來評(píng)定的缺陷回波必須是最高反射回波，需參考A 掃顯示。

3 相控陣橫波端面檢測螺栓

當(dāng)螺栓端面無法放置縱波直探頭或需對(duì)螺栓中心孔內(nèi)壁檢測時(shí)，可以選用相控陣探頭對(duì)螺栓進(jìn)行橫波檢測。試驗(yàn)選擇一維線性陣列探頭，參數(shù)如下：頻率為 2.5 MHz，共 16 陣元，陣元間距0.6 mm，最大探頭孔徑可達(dá)16 mm×0.6 mm×10 mm。掃描參數(shù)設(shè)置：激發(fā)陣元數(shù) 16，扇掃角度 35°～70°，扇掃步進(jìn) 0.5°，探頭楔塊形狀與螺栓表面曲率相匹配。

3.1 相控陣橫波檢測帶中心孔的螺栓

將相控陣探頭置于螺栓的光桿部位，選擇螺栓LS-1 的B 側(cè)下端部分為檢測區(qū)，前后移動(dòng)探頭，找到檢測區(qū)的螺紋反射波。一般應(yīng)出現(xiàn)10 個(gè)左右螺紋波，且無明顯雜波，然后將第一絲扣螺紋最大反射波調(diào)到A 掃顯示滿幅波高的60%，提高3 dB 作為基準(zhǔn)靈敏度，再增益6dB 作為檢測靈敏度。沿外圓周向及前后移動(dòng)，繞螺栓掃查一周，如圖10 所示。

由圖10 可知，在扇形掃面圖的閘門線位置處有兩個(gè)異?；夭ㄐ盘?hào)，可認(rèn)定這是兩個(gè)刻槽造成的異?；夭?。從位置上分析，其與螺栓上的刻槽位置相符，同時(shí)可以直觀分析出缺陷在哪個(gè)掃查角度的反射波最高。從扇掃圖上色差分布可知，螺栓存在裂紋時(shí)，均勻的螺紋信號(hào)被破壞，間隔中出現(xiàn)異常信號(hào)與其相鄰螺紋信號(hào)存在色差。這是由于人工刻槽的存在，其后鄰近的第1個(gè)螺紋反射波被遮擋，刻槽較大時(shí)，鄰近幾個(gè)螺紋波也將被遮擋。

圖10 橫波檢測螺栓LS-1 扇掃圖

3.2 相控陣橫波檢測無中心孔的螺栓

將相控陣探頭置于螺栓的光桿部位，選擇螺栓LS-2 的A 側(cè)下端部分為檢測區(qū)，前后移動(dòng)探頭，找到檢測區(qū)的螺紋反射波。一般應(yīng)出現(xiàn)10 個(gè)左右螺紋波，且無明顯雜波，然后將第一絲扣螺紋最大反射波調(diào)到A 掃顯示滿幅波高的60%，提高3 dB 作為基準(zhǔn)靈敏度，再增益6 dB 作為檢測靈敏度。沿外圓周向及前后移動(dòng)，繞螺栓掃查一周，如圖11 所示。

圖11 75 mm 處刻槽扇掃圖

由圖11 可知，在扇形掃描圖的閘門線位置處有一個(gè)異?；夭ㄐ盘?hào)，可認(rèn)定這是一個(gè)刻槽人工缺陷造成的異?；夭āＴ摦惓；夭ㄠ徑? 個(gè)螺紋信號(hào)回波能量很低，第2 個(gè)、第3 個(gè)螺紋信號(hào)回波能量都有一定程度降低，這是由于人工刻槽的遮擋造成的。對(duì)人工刻槽鄰近6 個(gè)螺紋回波幅度和螺紋信號(hào)間隔進(jìn)行了測量分析，如圖12所示。

圖12 螺紋信號(hào)波幅與間隔數(shù)據(jù)圖

從圖12 中可知，人工刻槽鄰近的第1 個(gè)螺紋信號(hào)幅度急劇降低，其后的螺紋信號(hào)幅度也受到影響，到第5 個(gè)螺紋信號(hào)恢復(fù)正常，我們可以由螺紋信號(hào)的變化來確定異常信號(hào)。螺紋信號(hào)之間的水平間隔保持在4 mm 左右，這和螺栓上螺紋間隔是相吻合的。因此，相控陣橫波檢測螺栓無論是在定量還是定位上，都能滿足標(biāo)準(zhǔn)和靈敏度的要求，可以很好的發(fā)現(xiàn)缺陷。

4 結(jié) 論

通過相控陣縱波端面檢測螺栓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響檢測結(jié)果的因素很多，需考慮以下方面：

（1）相控陣檢測螺栓可實(shí)現(xiàn)較大角度范圍的掃查，扇掃成像清晰直觀，便于對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別和判定。

（2）通過試驗(yàn)表明，相控陣檢測螺栓可有效發(fā)現(xiàn)0.5 mm 槽深當(dāng)量的裂紋，靈敏度和信噪比都很高。同一檢測深度下，裂紋的回波幅度和信噪比與當(dāng)量大小相關(guān)。

（3）相控陣檢測螺栓存在盲區(qū)，檢測不到靠近螺栓端面的部分。聲束在螺栓內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生散射、畸變等因素造成聲能減少，螺紋信號(hào)和缺陷信號(hào)回波幅度隨著檢測深度增加而降低。由于螺紋信號(hào)逐漸減低，遠(yuǎn)低于缺陷信號(hào)的反射回波，因此缺陷信號(hào)的信噪比隨著檢測深度增加反而升高，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷是有利的。同時(shí)，螺栓上部的缺陷信噪比比較低，再加上菲涅耳區(qū)對(duì)信號(hào)的干擾，會(huì)使缺陷信號(hào)淹沒在雜波信號(hào)中。

（4）通過試驗(yàn)可知，探頭的掃查位置影響著聲束在螺栓內(nèi)的分布，聲束的角度和螺栓螺牙的角度影響著螺紋信號(hào)的強(qiáng)弱。相同檢測深度，大角度聲束對(duì)螺栓下端部分的螺紋成像比小角度聲束的反射能量、信噪比都要高很多。但試驗(yàn)中小角度聲束可以更好發(fā)現(xiàn)這些人工刻槽，這是由于人工刻槽均垂直于螺栓軸線。同一缺陷可以在不同檢測位置檢測到，但靈敏度和信噪比是不同的，需要綜合考慮缺陷特征來選擇合適的檢測位置。

（5）為了提高定量精度，必須結(jié)合螺栓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行有針對(duì)的掃查。檢測有中心孔或頂針孔的螺栓端面時(shí)，可采用環(huán)向掃查等方式，發(fā)現(xiàn)缺陷并找到其最高回波。

相控陣橫波檢測螺栓通過異常信號(hào)與其相鄰螺紋信號(hào)的比較來進(jìn)行定位和定量，都能滿足標(biāo)準(zhǔn)和靈敏度的要求。

本研究通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲相控陣技術(shù)檢測高溫螺栓的可行性。超聲相控陣作為螺栓檢測方面的新技術(shù)，在靈敏度、信噪比和缺陷識(shí)別方面都有很大的優(yōu)勢，可大大提高微小裂紋的檢出率，結(jié)果穩(wěn)定可靠，值得推廣和應(yīng)用。