Inconel783螺栓超声相控阵导波检测技术研究

2021-10-20 01:16王瑞璇丘国平刘宇哲

电力科技与环保 2021年5期

王瑞璇，丘国平，刘宇哲

(上海明华电力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

螺栓作为各种设备的连接件，是工业装备中的标准配件之一[1-2]。在电力行业，螺栓在高温高压、振动等各种恶劣工况下服役，容易产生疲劳裂纹。裂纹扩展到一定程度，就可能导致螺栓脆性断裂，造成重大安全事故，严重威胁人员及机组安全[1,22]。

目前常规的无损检测方法主要有五种：射线检测、渗透检测、超声检测、磁粉检测和涡流检测[3]。其中射线检测对于裂纹的检测效果较差，而磁粉检测、渗透检测、涡流检测只能检测表面和近表面缺陷，对于内部裂纹无能为力；故相对而言，超声检测是一种更适用于螺栓裂纹的检测手段。通过理论和试验研究，探索一种有效可行的超声波检测方案，实现在役螺栓的检测，对机组安全生产具有重要意义。

Inconel783合金是一种抗氧化且具有低热膨胀系数的超合金。随着超超临界技术的兴起与发展，该合金被用于制造超超临界组高温螺栓等主要部件。相比于其他低膨胀高温合金，该合金含有较高成分的Al，显著提高了合金的抗日氧化能力和强度金Cr含量的减少，使之热膨胀系数进一步降低。Inconel783螺栓为带有中心孔的柔性螺栓，其螺纹部与腰部结合处存在缩颈，这使得常规超声检测方法受到明显的杂波干扰。螺栓常规超声检测的主流方法是采用常规直探头与小角度纵波斜探头进行检测[1]，目前应用广泛，但其亦存在着不可忽视的劣势，主要体现在：

(1)常规探头的检测效率较低；

(2)螺栓多数几何形状为细长结构，超声纵波的侧壁干涉效应强烈，导致灵敏度下降。

(3)虽然螺栓裂纹多数为走向简单的环向裂纹，但由于存在螺纹、腰部结构反射波，叠加纵波、横波的波形转换的干扰，缺陷的识别具有一定难度。

1 研究方法

1.1 超声相控阵导波检测原理

(1)导波检测技术

超声波在介质中传播时，若介质中有两个或以上的界面存在，超声波将发生来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波型转换，波与波之间还发生干涉[4,10-11,20]。比较典型的导波介质包括圆柱壳、杆和层状的弹性体等[5,18]。超声波在圆杆导波中的传播具有多模态、频散的特性，通过求解频率方程可以得到导波各个模态的相速度和群速度[6,12,21]。在同一频率下，会同时产生两个或以上的模态，并且各模态具有不同的群速度以及不同程度的频散，即群速度随着频率的变化而变化，波形混杂，难以用于检测缺陷[6,13-15]；但低频段的L(0，1)模态，速度最快，通常可以用作检测信号[7,16,19-20]。

(2)相控阵检测技术

相控阵技术来源于电磁波雷达技术[17,23-25]。相控阵探头由多个独立工作的压电晶片按照一定的要求组成阵列，计算机对各个晶片的相位延时实现电子控制，使探头发射和接收可控方向、聚焦等参数的超声波束[26-27]，如图1所示。通过电子控制声束的位置和方向，就能实现多声束检测和电子扫查，提高了探头的扫查覆盖能力，降低了空间位置对机械扫查的局限[2]；多个方向的声束检测能提高超声波对不同方位裂纹的检测能力[4,14]。

图1 相控阵合成声束示意

1.2 Inconel783螺栓中超声柱面导波的传播

导波的一个最重要特征是各模态具有不同的特性[8]，同一模态在不同周期和不同频率下传播的特征也不同，这种特性与钢杆自身以及检测系统选取等有关。在空心圆柱状物体中传播的导波存在3种模态，即纵向轴对称模态(L模态)、扭转模态(T模态)和弯曲模态(F模态)[9,12]。在螺栓导波检测中，分析最佳模态参数，可确定激发声波的最佳频率和最优周期，从而提高螺栓以及缺陷的检测质量[11]。图2、图3为通过计算得到的置于空气中M72×330螺栓的超声柱面导波频散曲线。图4、图5为通过计算得到的置于空气中M90×385螺栓的超声柱面导波频散曲线。

图2 M72螺栓超声柱面导波群速度频散曲线

图3 M72螺栓超声柱面导波相速度频散曲线

图4 M90螺栓超声柱面导波群速度频散曲线

图5 M90螺栓超声柱面导波相速度频散曲线

从以上超声柱面导波相速度频散曲线可见，0～5MHz的范围内，除L(0，X)模态以外，其他的频散曲线均有截止频率，这就使得L(0，X)模态具有更宽的频率范围、更强的独立性；图6中波1的成分为L(0，1)，根据表1的声速计算结果，可见L(0，1)模态具有更高的速度，可以在回波分析中更加明显，适用于螺栓裂纹检测；在5MHz时导波轴向位移主要集中在杆内部，基本不受外部介质影响，图7为该状态下的波包形状(黄色部分)，相比同一模态其他频率下的导波，衰减更小，可以传播更远的距离，故可以用来检测螺栓。

图6 特定高频下的导波实测波包形状

表1 波包中反射波波速

图7 5MHz导波成分衰减对比

1.3 螺栓超声柱面导波相控阵检测系统开发

基于以上理论分析，项目组自主组装了一套超声导波螺栓无损检测系统(如图8所示)。包括：HSPA20-Ae(Bolt)16/64阵元相控阵专用检测仪；高频64阵元环型一维线阵相控阵探头。

主机参数如下：

(1)具有16∶64 相控合成(激发阵元数∶至少64个，接收阵元数∶至少16个)；

(2)全程动态聚焦；显示屏为8.4英寸 24位真彩显示，分辨率1024×768；数据存储：内部32GB ，外接USB可直接存储；

(3)供电方式：AC220-DC15V交流适配器，11.1V锂电池；系统带宽：0.5～15MHz(-3dB)；

(4)数字化频率：100MHz 8bit；扫查图像：A/C/S/L；S扫线束：256；脉冲激发方式：负方波，脉冲宽度为30～500ns(步进10ns)；发射电压为50～100V；

(5)增益调节范围：0～110dB，调节精度最小0.1dB。

探头参数如下：阵元形式：环形一维线阵；阵元数量：64阵元；探头频率：依据频散曲线选择2～10MHz；探头直径：探头外径小于螺栓外径2～5mm。

1.4 Inconel783螺栓模拟试块的制备

本项目共制作了5个螺栓模拟试块。其中1个为完好螺栓，未加工缺陷；另外4个螺栓均在外壁分别加工了2处人工缺陷，缺陷信息如表2所示。表2中的“缺陷深度”指缺陷与螺栓中心孔侧端面的最小距离。

表2 螺栓试块与缺陷信息

1.5 螺栓缺陷的检测实验

首先在无缺陷螺栓试块上进行检测，结果如图9所示。可见导波的传播特性使螺纹回波的干扰基本消失。但由于螺栓结构反射的原因，腰部一直存在幅值不可忽略的固有回波显示，对检测造成轻微的干扰。但是在转动探头的过程中，结构的固有回波是不变的，而缺陷波必定在探头的转动过程中同时移动，以此方法可以分辨缺陷波。

再分别对每一个有缺陷螺栓试块进行检测，记录检测到的缺陷信息。缺陷的信息包括位置、波幅、长度；其中位置包括深度(与探头端面的距离)、周向位置(以晶片位置指示)。各缺陷的信息按照以下方法确定并记录：

(1)轴向距离：在声程数据栏(S)直接读数；

(2)周向位置：将闸门移动至缺陷处，在环形探头示意图上会显示对应的晶片，按照晶片序号(Cur)在实际探头上可以找到对应位置并记录；

(3)波幅：将闸门移动至缺陷最高波处，从A扫信号中读取峰值波幅；

(4)长度：将闸门依次移动至缺陷两端的位置，按照6dB法进行端点定位，然后分别读取周向位置数据栏(L)数字，相减即得缺陷长度。

2 结果与讨论

按照以上方法对螺栓试块的人工缺陷分别进行检测，结果如下：在对1号螺栓试块的检测中共发现了2处缺陷。

在检测过程中，发现第1个缺陷的位置是距离端面(中心孔端)87.3mm处，波幅为增益26dB(A)时满屏87.8%，如图10所示；此时对应的是37号晶片，在探头上找到对应位置，可记录缺陷在螺栓的周向位置；再测定右端点的位置0.71mm，如图11所示；再测定左端点的位置-13.01mm，如图12所示，则计算得到缺陷长度为13.72mm。

检测中发现第2个缺陷的位置是距离端面(中心孔端)172.42mm处，波幅为增益26dB(A)时满屏36.9%，如图13所示。由于缺陷回波在结构回波中不明显，因此转动探头，再进行检测，如图14所示，回波明显，波幅24dB(A)，80.8%。

对2号、3号、4号螺栓试块的检测步骤同1号试块，不再赘述。检测出的缺陷信息汇总如表3所示。在本项目的螺栓超声柱面导波相控阵检测中，深度误差最大为1.86mm(2%)以内，长度误差最大为1.97mm(9%)，达到了较高的准确度。