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螺栓廣泛應(yīng)用于大型壓縮機(jī)機(jī)組重要機(jī)械部件的連接，其質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)壓縮機(jī)組的運(yùn)行安全。螺栓承受的載荷與所處的工況非常復(fù)雜，受復(fù)雜應(yīng)力、腐蝕、溫度等作用，其螺紋的連接部位易產(chǎn)生疲勞裂紋使螺栓斷裂或失效。在壓縮機(jī)設(shè)備使用過程中，螺栓一旦發(fā)生斷裂會(huì)造成生產(chǎn)中斷導(dǎo)致停工，因此車間需要根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)，按照計(jì)劃定期對(duì)螺栓實(shí)施檢測(cè)。

 

以往對(duì)在役螺栓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常將螺栓先拆卸下來再進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)。這種方式工作量大，檢測(cè)時(shí)間較長，檢測(cè)效率較低，并且影響生產(chǎn)運(yùn)行。為解決這一難題，在不拆卸螺栓的前提下，檢測(cè)人員采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓螺紋部位產(chǎn)生的疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)，取得了較好的效果。

 

常規(guī)超聲檢測(cè)

 

螺栓是細(xì)長的圓柱體形狀的零部件，常規(guī)超聲檢測(cè)法主要采用縱波直探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是可有效發(fā)現(xiàn)1 mm以上槽深當(dāng)量的裂紋缺陷，缺點(diǎn)如下：

 

(1) A掃描波形形狀復(fù)雜，判別比較困難，尤其是干擾波形主要來自于螺栓本體結(jié)構(gòu)或螺紋齒面，無法對(duì)其進(jìn)行有效區(qū)分和識(shí)別，給檢測(cè)工作帶來一定的困難。

 

(2) 螺栓兩頭的螺紋部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋，但縱波直探頭掃查的角度單一，容易造成漏檢，大大降低了檢測(cè)的可靠性。

 

(3) 檢測(cè)數(shù)據(jù)無法記錄或缺陷無可追溯性。

 

(4) 檢測(cè)靈敏度與信噪比較低。

 

相控陣超聲檢測(cè)

 

與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

 

(1) 可以多種視圖展現(xiàn)缺陷的檢測(cè)結(jié)果，能較好地區(qū)分缺陷波和結(jié)構(gòu)波，解決了螺栓檢測(cè)難以識(shí)別缺陷波的問題。

 

(2) 能應(yīng)用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)。

 

(3) 相控陣超聲技術(shù)具有多角度可調(diào)聚焦聲束的功能，可覆蓋檢測(cè)缺陷部位，提高檢測(cè)靈敏度和圖像的信噪比，缺陷識(shí)別能力更強(qiáng)。

 

螺栓的相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)

 

01螺栓試樣加工

 

選擇一根在用的螺栓作為試樣，參照?qǐng)D1在螺栓A端外表面的螺紋部位加工不同深度的刻槽，要求刻槽部位在一條線上，刻槽方向垂直于螺栓軸線方向，用以模擬裂紋?？滩凵疃染鶠?.0 mm，長度均為10.0 mm，刻槽開口寬度均為0.25 mm，螺栓材料為35CrMoA，人工刻槽的位置參數(shù)如表1所示。

 

 

圖1 螺栓刻槽尺寸示意

 

表1 螺栓試樣人工刻槽的位置參數(shù)（mm）

 

 

02扇形掃查

 

采用OmniScan MX2型相控陣超聲檢測(cè)儀，選用32晶片5 MHz的探頭，晶片間距為0.5 mm，晶片高度為10 mm，角度步進(jìn)為0.5°，扇掃角度設(shè)置為-30°~+30°。

 

將探頭放置在A，B端面上即可進(jìn)行螺栓的內(nèi)部檢測(cè)。通過扇形掃查，在近A側(cè)端面螺紋部位的影像中發(fā)現(xiàn)4處人工缺陷，如圖2(a)所示。檢測(cè)A端面時(shí)采用沿徑向前后移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)掃查的方式，圖像均能清晰地顯示缺陷。由此可見，探頭的檢測(cè)范圍可覆蓋整個(gè)螺紋部位。

 

當(dāng)聲束入射到無缺陷的螺栓中時(shí)，螺紋信號(hào)清晰穩(wěn)定，并且間隔均勻，如圖2(b)所示，隨著檢測(cè)距離的增加，螺紋信號(hào)的能量逐漸減弱。裂紋信號(hào)存在于螺紋信號(hào)間，其顏色與相鄰兩個(gè)螺紋信號(hào)的顏色存在較大差異，顏色差異程度與裂紋的波幅有關(guān)。

 

 

圖2 螺栓的相控陣超聲扇掃圖像

 

03深度方向?qū)z測(cè)圖像的影響

 

將距螺栓A側(cè)端面110 mm處人工刻槽的反射回波調(diào)整到滿屏的80%，并以此作為基礎(chǔ)靈敏度，增益6 dB作為掃查靈敏度。該參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋部位裂紋的垂直入射，提高了缺陷波的反射率，大大提高了信噪比。

 

不同檢測(cè)深度(聚焦深度)下螺栓的扇掃圖像如圖3所示，可見檢測(cè)深度越大，刻槽反射的能量就越弱，信噪比隨著檢測(cè)深度的增加逐漸增加。分析原因?yàn)槁菟ㄉ下菁y的反射回波隨著深度增加而降低，且裂紋圖像與螺紋的圖像對(duì)比鮮明，便于檢測(cè)人員進(jìn)行判別。

 

 

圖3 不同檢測(cè)深度下螺栓的扇掃圖像

 

04檢測(cè)位置對(duì)圖像的影響

 

探頭位置示意及螺栓的扇掃圖像如圖4所示。當(dāng)探頭放在位置1的時(shí)候，50 mm深處的人工刻槽不在探頭的聲束掃查范圍內(nèi)，因此檢測(cè)圖像只顯示了部分缺陷。當(dāng)探頭放在位置2的時(shí)候，50 mm和70 mm深處的人工刻槽均在探頭的聲束掃查范圍內(nèi)。由以上分析可知，檢測(cè)位置很重要，只有當(dāng)探頭放置在合適的位置才能覆蓋所有需要檢測(cè)的部位。

 

 

圖4 探頭位置示意及螺栓的扇掃圖像

 

05應(yīng)用

 

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來的20根螺栓依次進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)。將探頭放置在螺栓的A，B端面上實(shí)施檢測(cè)，首先進(jìn)行初始掃查，探頭沿徑向前后移動(dòng)的同時(shí)，也進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃查。初始掃查后可將聚焦深度設(shè)置在易出現(xiàn)裂紋的區(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。

 

在某螺栓距A側(cè)85 mm深處發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖5所示，缺陷圖譜清晰可辨，檢測(cè)效果明顯。

 

 

圖5 某螺栓現(xiàn)場(chǎng)相控陣超聲檢測(cè)圖譜

 

結(jié)語

 

(1) 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)采用大角度的掃查方式，檢測(cè)圖像直觀，便于清晰地識(shí)別缺陷。

 

(2) 調(diào)整好檢測(cè)參數(shù)，可提升檢測(cè)靈敏度和圖像信噪比，對(duì)裂紋的識(shí)別率大大提高。

 

(3) 人工刻槽檢測(cè)圖像的信噪比隨著檢測(cè)深度的增加逐漸增加，原因?yàn)槁菟ㄉ系穆菁y反射回波隨著檢測(cè)距離的增加而降低，且裂紋缺陷圖像和螺紋圖像對(duì)比鮮明。