探讨火电厂紧固螺栓的相控阵检测的应用

肖波

湖南火电建设有限公司 湖南长沙 410000

紧固螺栓主要应用于火电厂重要机械部件连接位置，其通常情况下处于高应力、高温环境，预紧力较大。螺栓的部件极易出现裂纹，发生断裂，这使得火电厂工作排查重点是严格检测螺栓部件，及时发现细小损伤和裂纹。因此，有必要分析相控阵检测方式在紧固螺栓检测中的应用，为检修工作提供技术支持。

1 相控阵检测概述

紧固螺栓常见的检测方式是超声检测或表面检测，这些方式可以发现深度超过1mm的裂纹，但信噪比和灵敏度不高[1]。而相控阵检测技术属于新式的无损检测模式，当探头固定时，利用软件可以调整声束的实际偏转角度，扫查螺栓截面。借助聚焦功能提升检测工作的信噪比、灵敏度、分辨力，提高技术可靠性，保持信息数据，通过多种投影方向得到检测图形。超声阵列换能器是开展检测工作的关键设备，其可以在预设的时间内发出超声束。借助惠更斯原理，能够合成叠加超声子波束，此过程相当于相控阵发射阶段。相控阵主要特点是通过软件调节超声波束，借助聚焦和偏转形式对紧固螺栓完成检测。

2 火电厂紧固螺栓相控阵检测过程分析

2.1 纵波扇扫

（1）设备分析。传统超声波螺纹检测技术可以检测出槽深超过1mm的裂纹，不过其齿面和结构面上会出现干扰波、变形波，降低检测信噪比。利用相控阵检测方式可以实现声束的聚焦、扫查、偏转，在固定探头基础上针对缺陷区域完成扫查，完成视图成像，识别和判定缺陷。本课题将火电厂主蒸汽发生器内的紧固螺栓当作检测对象，其包含EDM槽。针对1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#螺栓完成相控阵检测，其探头在螺栓端部，内部第一晶片处于螺栓内圆心位置，可以完成纵波0-75°的扫查。课题中选择Phascan（32/64）型号的超声相控阵检测仪开展工作，由于探头需要放置在端面位置，进而完成纵波扇扫检测工作，因此建议选取一维线性阵列探头。其参数如下：阵元个数是32，频率是5MHz，其间距是0．6mm。探头孔径最大值是32mm×0．6mm×10mm，其激发阵元数量是32，且扇扫的角度步进值为0．5°。

（2）螺栓检测过程。本课题主要对带有中心孔的螺栓进行检测，其步骤如下：（1）将探头置于螺栓端面平整位置，与中心孔间隔一段距离。（2）采取环绕扫查的方式，使声束竖向发射至螺栓内部，对其进行整体检测。（3）获取螺栓完整清晰的扇扫图像。相控阵列借助偏转和聚焦的方式，利用反射波显示图像。若扫射完成后螺栓无裂纹，则可以清晰反映螺纹信号。正常情况下信号间隔均匀，随着扫射深度的增加，其颜色逐渐变浅。（4）如果螺纹中出现裂纹会破坏螺栓信号，其中会产生异常信号，图像中深颜色区域属于裂纹区，且裂纹深度和获取信号的幅度密切相关。通过对螺纹端面130mm的位置进行检测后发现，信号可以发射至深度是0．5mm的刻槽裂纹，该技术信噪比、灵敏度较高。当检测深度相同时，人工刻槽尺寸和回波幅度密切相关，因此缺陷图像的颜色较深。

2.2 螺栓横波断面检测

若需要检测中心孔内部或在螺栓端面中无法放置纵波垂直探头时，应借助相控阵探头完成横波检测[2]。该过程的工具主要选择线性一维探头，参数包含以下内容：频率设置为2．5mMHz，阵元数量是16。其扇扫面角度范围是35°-70°，步进值0．5°，螺栓表面的曲率和探头楔块相互对应。主要检测过程如下：（1）在螺栓的光杆位置放置阵列探头，将螺栓下侧作为检测部位，通过移动探头找寻螺纹的反射波。正常情况下会产生大约10个螺纹波，其中不会出现明显杂波。（2）调节螺纹最大的反射波，提升3dB优化其灵敏度，环绕螺栓完成检查。（3）若扇扫过程中出现回波异常信号且存在色差，则说明螺栓位置出现裂纹。

2.3 检测结果分析

第一，图像显示效果强于波形类型，且通过控制声束方向、焦点深度、焦点尺寸，提升了检测灵敏度、信噪比和分辨力。经过检测后发现，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#螺栓相控阵检测后，当其探头处于螺栓端部时，纵波扇扫范围是0-75°，可以检测出深度是70mm，宽度是0．2mm的裂纹。

第二，经过检测后发现，人工刻槽周边螺纹信号急剧降低，直至第五个信号才恢复正常，可以借助信号实际情况分析异常情况，通常情况下螺纹信号间隔是4mm。因此，相控阵横波检测螺栓在定位和定量方面均可以满足灵敏度和标准需求，能够提升缺陷查找效率。

第三，超声相控阵扫查阶段，到达螺纹的波束相当于聚焦主声束，其声压超过直探头位置的副瓣，因此能够极大程度地提升该技术灵敏性。同时，相控阵声束的角度可任意调整，进而向螺纹根部裂纹完成垂直检测，提高裂纹反射率和信噪比。相控阵能够借助扇形图像显示不同角度的反射波，在检测过程中螺纹信号清晰、稳定，不会出现杂波问题，间隔稳定。若螺纹中出现裂纹，会产生异常信号，该信号在图像中存在色差。因此，可以借助相控阵完成扇扫图像，能够得出螺纹的二维图像，准确识别缺陷，提升检测工作的可靠性和准确度[3]。

3 结论

经过检测试验分析，火电厂紧固螺栓相控阵检测模式可以分析出深度是70mm，宽度是0．2mm的加工裂纹缺陷。同时，借助手动方式在螺栓端面完成扇形扫查，检测范围为6mm-7mm，能够有效提升信噪比，提高裂纹的可识别度，检测结果可靠稳定，且相控阵检测方式具有较强的灵敏度，便于应用和推广。