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压缩机螺栓的相控阵超声检测

压缩机螺栓的相控阵超声检测

            螺栓广泛应用于大型压缩机机组重要机械部件的连接,其质量关系到整个压缩机组的运行安全。螺栓承受的载荷与所处的工程非常复杂,受复杂应力、腐蚀、温度等作用。其螺栓的连接部位易产生疲劳裂纹使螺栓断裂或失效。在压缩机设备使用过程中,螺栓一旦发生断裂会造成生产中断导致停工,因此车间需要根据生产计划任务,按照计划定期对螺栓实施检测。

            以往对在役螺栓进行检测时,通常将螺栓先拆卸下来再进行荧光磁粉检测。这种方式工作量大,检测时间较长,检测效率低,并且影响生产运行。为解决这一难题,在不拆卸螺栓的前提下,检测人员采 用相控阵超声检测技术对螺栓螺纹部位产生的疲劳裂纹进行检测,取得了较好的效果。

            常规超声检测

            螺栓是细长的圆柱体形状的零部件,常规超声检测法主要采用波纵直探头对其进行检测,优点是可有效发现1mm以上槽深当量的裂纹缺陷,缺点如下:

            1.A扫描波形形状复杂,判别比较困难,尤其是干扰波主要来自于螺栓本体结构或螺纹齿面,无法对其进行有效区分和识别,给检测工作带来一定的困难。
            2.螺栓两头的螺纹部位容易产生疲劳裂纹,但纵波直探头扫查的角度单一,容易造成漏检,大大降低了检测的可靠性。
            3.检测数据无法记录或缺陷无可追溯性。
            4.检测灵敏度与信噪比较低。

            相控阵超声检测

            与常规超声检测技术相比,相控阵超声检测技术具有以下优势:
            1.可以多种视图展现缺陷的检测结果,能较好的区分缺陷和结构波,解决了螺栓检测难以组识别缺陷波的问题。
            2.能应用于复杂几何结构件的检测。
           3.相控阵超声技术具有多角度可调聚集声束的功能,可覆盖检测缺陷部位,提高检测灵敏度和图像的信噪比,缺陷之别能力更强。

            一、螺栓样式加工
            选择一根在用的螺栓作为试样,参照图1在螺栓A端外表面的螺纹部位加工不同深度的刻槽,要求刻槽部位在一条线上,刻槽方向垂直于螺栓轴线方向,用以模拟裂纹。刻槽深度均为1.0mm,长度均为10.0mm刻槽开口宽度均为0.25mm,螺栓材料为35CrMoa,人工刻槽的未知位置参数如表1所示。

           

            二、扇形扫查
            采用OmniScan MX2型相控阵超声检测仪,选用32晶片5MHz的探头,晶片间距为0.5mm,晶片高度为10mm,角度步进为0.5°,扇形角度设置为-30°~+30°。
            将探头放置在A,B端面上即可进行螺栓的内部检测。通过扇形扫查,在近A侧端面螺纹部位的影像中发现4处人工缺陷,如图2(a)所示。检测A端面时采用沿径向前后移动和旋转扫查的方式,图像均能清晰地显示缺陷。由此可见,探头的检测范围可覆盖着整个螺纹部位。
            当声束入射到无缺陷的螺栓中时,螺纹信号清晰稳定,并且间隔均匀,如图所示2(b)所示,随着检测距离的增加,螺纹信号的能量逐渐减弱。裂纹信号存在螺纹信号间,其颜色与相邻两个螺纹信号的颜色存在较大差异,颜色差异程度与裂纹的波幅有关。

           

            三、深度方向对检测图像的影响
            将距螺栓A侧端面110mm处人工刻槽的反射回波调整到满屏的80%,并以此作为基础灵敏度,增益6dB作为扫查灵敏度。该参数可实现对螺纹部位裂纹的垂直入射,提高了缺陷波的反射率,大大提高了信噪比。
            不同检测深度(聚焦深度)下螺栓的扇形图像如图3所示,可见检测深度越大,刻槽反射的能量就越弱,信噪比随着检测深度的增加逐渐增加。分析原因为螺栓上螺纹的图像对比鲜明,便与检测人员进行判。

           

            四、检测位置对图像的影响
            探头位置示意及螺栓的扇形图像如图4所示。当探头放在位置1的时候,50mm深处的人工刻槽不在探头的声束扫查范围内,因此检测图像只显示了部分缺陷。当探头放在位置2的时候,50mm和70mm深处的人工刻槽均在探头的声束扫查范围内。由以上分析可知,检测位置很重要,只有当探头放置在合适的位置才能覆盖所有需要检测的部位。

           

            五、应用
            对现场拆卸下来的20根螺栓依次进行相控阵超声检测。将探头放置在螺栓A,B端面上实施检测,首先进行初始扫查,探头沿径向前后移动的同时,也进行旋转扫查。初始扫查后可将聚焦深度设置在易出现裂纹的区域,当某个部位出现缺陷反射波时, 再将聚焦深度调整于缺陷所在位置。

            在某螺栓距A侧85mm深处发现裂纹,如图5所示,缺陷图谱清晰可辨,检测效果明显。  

           

            结束语:
            1.相控阵超声检测技术采用大角度的扫查方式,检测图像直观,便于清晰地识别缺陷。
            2.调整好检测参数,可提升检测灵敏度和图像信噪比,对裂纹的识别率大大提高。
            3.人工刻槽检测图像的信噪比随着检测深度的增加逐渐增加,原因为螺栓上的螺纹反射回波随着检测距离的增加而降低,且裂纹缺陷图像和螺纹图像对比鲜明。

 

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