港口機(jī)械在役螺栓的相控陣超聲檢測

(上海振華重工集團(tuán)(南通)傳動(dòng)機(jī)械有限公司, 南通 226017)

港口機(jī)械(以下簡稱港機(jī))的主體架構(gòu)是由許多鋼結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拼裝而成的，各結(jié)構(gòu)之間通常采用焊接連接或螺栓連接。螺栓連接是一種結(jié)構(gòu)簡單、連接牢靠、拆裝方便的拼接方式，所以在港機(jī)產(chǎn)品中的使用極為廣泛。港機(jī)產(chǎn)品中主要使用高強(qiáng)度六角螺栓連接緊固，這些長期服役的螺栓除了承受復(fù)雜的應(yīng)力作用外，還要承受冷熱潮濕、海鹽侵蝕等自然界的破壞，容易產(chǎn)生疲勞裂紋而斷裂。港機(jī)螺栓的失效斷裂形式主要有兩種：螺紋根部裂紋,螺頭R角裂紋。

螺栓一旦發(fā)生疲勞斷裂，輕者會(huì)致使設(shè)備中斷生產(chǎn)或效率降低，重者會(huì)引發(fā)安全責(zé)任事故，因此定期對在役螺栓實(shí)施檢測尤為重要。以往對在役螺栓的檢測，通常的做法是將螺栓拆卸下來，再進(jìn)行熒光磁粉檢測。但是港機(jī)產(chǎn)品的垂直高度一般在20～80 m，且螺栓分布范圍廣，故這種情況下工作量大，拆卸困難，且檢測周期長、效率低。

針對港機(jī)在役螺栓出現(xiàn)的螺紋根部裂紋、螺頭R角裂紋等缺陷，在不拆卸螺栓的情況下，筆者采用相控陣超聲技術(shù)在螺栓的兩端面實(shí)施檢測，利用扇形掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了聲場對螺栓的全部覆蓋，同時(shí)結(jié)合聲束聚焦、波形成像等技術(shù)，較好地檢測出了在役螺栓缺陷。

1 相控陣超聲檢測技術(shù)

1.1 相控陣超聲檢測技術(shù)原理

相控陣超聲檢測技術(shù)原理是：換能器(探頭)由多個(gè)獨(dú)立壓電晶片組成，并按一定規(guī)則排列；檢測時(shí)由計(jì)算機(jī)軟件控制各晶片的激勵(lì)時(shí)間，通過預(yù)先設(shè)定的延遲時(shí)間逐次激發(fā)各個(gè)晶片，從而控制各晶片發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦、偏轉(zhuǎn)、合成等，從而獲得超聲成像掃描結(jié)果[1]。

1.2 螺栓的相控陣超聲檢測特點(diǎn)

螺栓是一種細(xì)棒形零件，采用常規(guī)超聲方法檢測時(shí)，螺紋結(jié)構(gòu)、側(cè)壁對聲波的反射會(huì)產(chǎn)生干擾波和變形波，從而影響缺陷波的識別，且縱波直探頭角度單一，容易造成漏檢[2]。

相控陣超聲成像檢測技術(shù)可利用扇形聲束掃描確保聲場對螺栓的全部覆蓋，采用多角度掃查更利于發(fā)現(xiàn)缺陷，還能通過改變聚焦深度提高檢測區(qū)域的分辨力及信噪比，并且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。

1.3 檢測儀器、探頭及參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)設(shè)備采用OmniScan MX2相控陣儀器。探頭選用5L32一維線性陣列探頭，其間距為0.6 mm，晶片高度為10 mm。參數(shù)設(shè)置如下：采用縱波扇形掃描，扇形角度范圍和激發(fā)晶片的數(shù)量可根據(jù)螺栓規(guī)格調(diào)整，角度步進(jìn)為0.5°，掃描布局為A+S(一組或多組)。作為初始掃查，可將聚焦深度設(shè)置在易出現(xiàn)裂紋的螺紋區(qū)域，當(dāng)某個(gè)部位出現(xiàn)缺陷反射波時(shí)，再將聚焦深度調(diào)整于缺陷所在位置。

1.4 探頭零點(diǎn)、聲速及靈敏度校準(zhǔn)

校準(zhǔn)試塊采用與被檢件材料相同的螺栓加工而成，推薦尺寸(直徑×長度)為30 mm×100 mm。探頭從端面入射，在A掃顯示中找到長度100 mm底面的第一次和第二次最高反射回波,來調(diào)整探頭零點(diǎn)及聲速。

靈敏度調(diào)整可采用與螺栓材料相同的φ1 mm平底孔試塊進(jìn)行，再增加4～16 dB作為初始掃查靈敏度；亦可采用螺紋面反射波法或底波調(diào)節(jié)法。

1.5 探頭位置及掃查方式

通常將探頭放置在螺栓的兩個(gè)端面上實(shí)施檢測(見圖1)。初始掃查時(shí)，探頭沿徑向前后移動(dòng)的同時(shí)，也進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃查。

2 缺陷的判定與分析

2.1 螺紋根部裂紋的判定與分析

以檢測M30×139 mm(直徑×長度,下同)六角螺栓為例，當(dāng)聲束入射到無缺陷的螺栓時(shí)，由于螺栓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，反射回波及影像較為復(fù)雜，可一一判定其特性，如圖2所示。螺紋的反射波就像是許多個(gè)端角形成的反射波，在S顯示中較為清晰、排列規(guī)則整齊，反射波波幅隨著聲程的增加逐漸降低，影像從上而下、由深到淺、各自獨(dú)立。將角度光標(biāo)對準(zhǔn)螺紋反射波影像，由于在A掃描顯示中只能顯示一個(gè)角度聲束，可見各反射波的組合猶如一座“山丘”，相鄰反射波波幅相差較小。旋轉(zhuǎn)探頭時(shí)，螺紋面的反射波影像和波形只是隨著螺紋的旋向在聲程上發(fā)生變化，反射波的排列規(guī)則不會(huì)被打亂。干擾波、底波顯示位置固定，定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)探頭時(shí)，其波形影像相同。

圖2 無缺陷螺栓的反射波和影像

圖3所示為在役檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋的螺栓外觀，其規(guī)格為M30×139 mm。探頭在位置1處進(jìn)行檢測，聲束從螺栓頭部入射至螺紋根部裂紋處，得到的反射波形和影像如圖4所示。由圖4可見，由于齒根裂紋的產(chǎn)生增加了端角反射面積，缺陷的反射回波幅度高于螺紋反射波的[3]，將A顯示中“山丘”狀排列的螺紋波破壞；在S顯示中，裂紋圖像顏色深于螺紋反射波的，裂紋波介于兩牙的反射波之間。利用光標(biāo)定位，缺陷深度顯示為85 mm。

圖3 含齒根裂紋的M30×139 mm螺栓

圖4 螺紋根部裂紋反射波形和影像(位置1)

圖5 螺紋根部裂紋反射波形和影像(位置2)

將探頭擺放在位置2處進(jìn)行檢測，聲束從螺栓底部入射到根部裂紋處，得到的反射波形和影像如圖5所示。由圖5可見，在A顯示中，裂紋波波幅較大，波形尖銳陡直；在S顯示中，裂紋之后的螺紋反射面被裂紋遮蓋，螺紋影像消失或減弱；無裂紋側(cè)的螺紋波影像則顯示完整、各自獨(dú)立。利用光標(biāo)定位，裂紋深度顯示為54 mm，與位置1處的檢測深度重合。

2.2 螺頭R角裂紋的判定與分析

以M27×137 mm六角螺栓為例，將探頭放置在位置1處對其進(jìn)行檢測，前后徑向移動(dòng)探頭，利用扇形聲束的特點(diǎn)，將兩側(cè)R角反射波同時(shí)顯示在S顯示中。螺栓經(jīng)機(jī)加工制成，R角圓弧反射面光滑，旋轉(zhuǎn)探頭檢測時(shí)，無缺陷的R角反射波波形和影像相同，如圖6所示。在其A顯示中，R角反射回波竄動(dòng)較小，波峰單一，深度顯示固定。利用光標(biāo)定位，R角顯示深度為17 mm。

圖6 S顯示中無缺陷的R角反射波影像

圖7 含R角裂紋的M27×137 mm螺栓

圖8 S顯示中R角裂紋反射波影像

圖7所示為含R角裂紋的螺栓外觀，其規(guī)格為M27×137 mm。聲束從螺頭入射至R角及裂紋處，其S顯示中R角裂紋反射波影像如圖8所示。可見，圖8中合格R角影像與圖6中的影像基本相同，而裂紋的產(chǎn)生增大了R角區(qū)域的反射面積，形成了更有利于探頭接收的反射回波，且裂紋表面一般較毛糙，所以裂紋波形影像發(fā)生明顯畸變，經(jīng)光標(biāo)定位得到裂紋深度為18.5 mm。在A顯示中裂紋波形呈多峰狀，旋轉(zhuǎn)探頭時(shí)回波竄動(dòng)較大。

將探頭放置在位置2處進(jìn)行檢測，聲束入射到無缺陷R角區(qū)域時(shí)，螺栓自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得R角反射回波無法形成，如圖9(a)所示，可見S顯示中合格R角處無反射影像；當(dāng)R角存在裂紋后，斜聲束入射到缺陷處，裂紋與螺桿在結(jié)構(gòu)上形成了有利于探頭接收反射回波的端角，R角區(qū)域有缺陷反射回波影像，如9(b)所示，缺陷深度顯示為118.5 mm。對其進(jìn)行兩頭檢測后，得到的裂紋深度位置重合。

圖9 R角無缺陷影像和有缺陷影像對比

3 結(jié)語

螺栓是經(jīng)機(jī)加工而成的標(biāo)準(zhǔn)件，同種規(guī)格的螺栓直徑、導(dǎo)程角、螺距等尺寸參數(shù)都相同。在役檢測前，可對同規(guī)格的無缺陷螺栓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，用于在役檢測時(shí)的輔助對比，可提升檢測速度，避免發(fā)生誤判、漏判。檢測過程中，通過徑向移動(dòng)和定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)探頭，并結(jié)合多角度聲束檢測，使得裂紋處形成更利于探頭接收的反射回波。檢測后，通過觀察A掃描波形及S顯示圖像，可對缺陷的回波及影像特點(diǎn)進(jìn)行綜合判定與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用相控陣超聲檢測技術(shù)，定期對港機(jī)在役螺栓實(shí)施檢測，對發(fā)現(xiàn)安全隱患和提高檢測效率有較大的幫助。