引言

工業(yè)生產(chǎn)中某些大型設(shè)備通過(guò)預(yù)埋螺栓矗立于基礎(chǔ)等上面,預(yù)埋螺栓大部分置于鋼筋混凝土等基礎(chǔ)內(nèi),伸出基礎(chǔ)部分極短,并通過(guò)螺母將主體設(shè)備基礎(chǔ)緊固連接。預(yù)埋螺栓在螺母及以下部分處于掩蔽狀態(tài),受復(fù)雜地理地貌腐蝕環(huán)境影響,潮濕氣體不易蒸發(fā),長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)腐蝕導(dǎo)致預(yù)埋螺栓桿體腐蝕損傷,形成腐蝕溝槽,使預(yù)埋螺栓的剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著降低,嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生傾覆倒塌等事故,給工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。由于預(yù)埋螺栓是掩蔽部件,多數(shù)腐蝕位置與腐蝕情況難以在巡檢中目視可及,目前還沒(méi)有相當(dāng)可靠的檢測(cè)手段,成為困擾設(shè)備安全隱患排查的難題。本文根據(jù)預(yù)埋螺栓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析了常規(guī)超聲檢測(cè)的難點(diǎn),提出了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù),研究了相控陣超聲檢測(cè)腐蝕缺陷的成像效果。

1常規(guī)超聲檢測(cè)腐蝕問(wèn)題分析

工業(yè)設(shè)備用螺栓在役無(wú)損檢測(cè)一般采用縱波直探頭常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè),但對(duì)預(yù)埋螺栓腐蝕無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的,存在如下問(wèn)題:

(1）常規(guī)超聲檢測(cè)呈現(xiàn)波形復(fù)雜,主要由于螺栓幾何結(jié)構(gòu)和螺紋鋸齒面反射以及多次反射,產(chǎn)生的干擾波和變形波多,不利于觀察和判別。

(2）預(yù)埋螺栓的腐蝕成溝槽型屬于帶角度面積型缺陷,即結(jié)構(gòu)和走勢(shì)傾斜或圓弧態(tài),采用常規(guī)直探頭垂直檢測(cè),由于探頭聲束角度單一,不能有效接收反射回波,較難發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷,檢測(cè)可靠性極差。

2相控陣超聲檢測(cè)地腳螺栓原理及優(yōu)點(diǎn)

2.1相控陣超聲原理

相控陣超聲檢測(cè)探頭為多晶片探頭,每個(gè)晶片的激勵(lì)均由計(jì)算機(jī)控制,計(jì)算機(jī)控制信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生帶有延遲(按一定規(guī)則和時(shí)序）的電壓脈沖并傳輸至各個(gè)晶片,該脈沖頻域信號(hào)列在各個(gè)晶片產(chǎn)生壓力信號(hào),同時(shí)在壓力信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生超聲波,各個(gè)晶片發(fā)射的多聲束超聲波相互疊加產(chǎn)生超聲聚焦波束,聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)角度、焦距范圍、焦點(diǎn)尺寸等均由計(jì)算機(jī)控制器通過(guò)軟件設(shè)置調(diào)整。當(dāng)遇到缺陷或障礙物,超聲波將反射回晶片,由計(jì)算機(jī)控制各個(gè)晶片按一定規(guī)則和時(shí)序接收缺陷或障礙物發(fā)射回的超聲波轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),信號(hào)系統(tǒng)將各個(gè)晶片轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)進(jìn)行合成并傳輸至編譯顯示器,編譯顯示器再將合成的結(jié)果以適當(dāng)形式成像顯示。相控陣超聲檢測(cè)原理如圖1所示。

2.2相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

(1）相控陣超聲檢測(cè)能夠通過(guò)電子掃描方式實(shí)現(xiàn)聲束角度偏轉(zhuǎn)和移動(dòng),在不移動(dòng)探頭的情況下超聲聚焦波束覆蓋檢測(cè)區(qū)域,檢測(cè)速度快、效率高。

(2）檢測(cè)結(jié)果成二維圖像顯示,與常規(guī)A掃描波形顯示相比具有極大優(yōu)勢(shì)。

(3）二維圖像顯示易識(shí)別,容易區(qū)分判斷缺陷和非缺陷信號(hào),通過(guò)圖像數(shù)據(jù)判讀,檢測(cè)結(jié)果分析,評(píng)定方便快捷。

(4）相控陣超聲采用數(shù)字技術(shù)和圖像技術(shù)進(jìn)一步提高了信噪比。

3試驗(yàn)方法與材料

筆者采取試驗(yàn)方法對(duì)預(yù)埋螺栓腐蝕的相控陣超聲檢測(cè)進(jìn)行研究。根據(jù)腐蝕特點(diǎn),通過(guò)模擬腐蝕形態(tài)并加工成試樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),驗(yàn)證相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)腐蝕缺陷的檢測(cè)效果。

3.1地腳螺栓材料與試樣

試樣材質(zhì)取0235作為試驗(yàn)試樣材料,根據(jù)試驗(yàn)所需選取內(nèi)部無(wú)缺陷的圓鋼作為模擬螺栓試樣。選用圓鋼試樣規(guī)格為625mm×300mm,端面粗糙度3.2,在試樣桿體上采用機(jī)加工方式制作模擬腐蝕缺陷。為方便加工選取V型和錐型試樣模擬腐蝕,深度為4mm、7.5mm,V型模擬試樣分別加工坡口角度45o、60o,試驗(yàn)試樣如圖2所示。

3.2試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)所使用的相控陣超聲檢測(cè)儀器為PHAsCAN便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀對(duì)于本次試驗(yàn)所用的相控陣超聲檢測(cè)探頭為5L16-0.5×10一維線性陣列探頭。試驗(yàn)靈敏度:以下試驗(yàn)均以100mm深大平底底波提高12dB作為參考靈敏度。

4試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

4.1相控陣超聲檢測(cè)扇掃查角度

相控陣超聲檢測(cè)扇掃聲像基礎(chǔ)圖像反映了被檢工件的結(jié)構(gòu)和缺陷特征相控陣不同的扇掃角度所包含的信息量也不同。

根據(jù)預(yù)埋螺栓在役檢測(cè)實(shí)際情況只能利用預(yù)埋螺栓裸露部位的端面進(jìn)行檢測(cè)通過(guò)平整的端面使相控陣超聲偏轉(zhuǎn)聚焦聲束軸向射入地腳螺栓桿體內(nèi)在有效檢測(cè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整體檢測(cè)因此選擇地腳螺栓檢測(cè)的掃查方式只有扇形掃查符合檢測(cè)要求。扇掃角度的選擇需要考慮螺栓幾何結(jié)構(gòu)、檢測(cè)范圍和成像失真程度等。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比選擇起始角度-30°～30°較為適于該直徑預(yù)埋螺栓檢測(cè)。

4.260°和45°V型模擬試樣檢測(cè)試驗(yàn)

預(yù)埋螺栓腐蝕存在一定坡口角度、截面突變的面積缺陷為研究相控陣檢測(cè)效果試驗(yàn)使用坡口角度為45°、60°坡口深度為7.5mm的V型模擬試樣進(jìn)行同一深度、不同坡口角度的模擬腐蝕缺陷檢測(cè)。試驗(yàn)檢測(cè)效果如圖3所示60°V型、45°V型反映了腐蝕缺陷不同傾向角度的反射面聲像特征從圖像中可以看出與實(shí)物結(jié)構(gòu)形態(tài)一樣經(jīng)測(cè)量尺寸一致。試驗(yàn)表明相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有直觀顯示不同缺陷形態(tài)和準(zhǔn)確測(cè)量分析的效果。

4.3錐形模擬試樣檢測(cè)試驗(yàn)

為研究截面突變較緩、坡面角度較大的腐蝕性面積缺陷相控陣超聲檢測(cè)效果選擇坡口深度為7.5mm的錐形模擬試樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)圖4為錐形模擬試樣檢測(cè)聲像效果圖。

從圖4聲像圖上可以看到錐形模擬試樣人造缺陷的2/3部位圖像清晰可辯顯示形態(tài)與實(shí)物基本一樣試樣錐形起始端加工錯(cuò)位圖像上也明顯可見(jiàn)。聲像圖向下1/3部位清晰度較弱甚至很難看到經(jīng)分析是由于超聲聲束入射隨深度增加入射角度也隨增大導(dǎo)致聲束從面積缺陷界面反射回的超聲波能量逐漸降低最后相控陣探頭難以接收有效超聲波束。試驗(yàn)中可以看到在一定范圍即使腐蝕缺陷坡口較大也能直觀顯示和測(cè)量。

圖4機(jī)加工錐形模擬試樣檢測(cè)聲像效果圖

5結(jié)論

（1)常規(guī)超聲直探頭檢測(cè)方法無(wú)論是波形觀察還是測(cè)量定位均難檢測(cè)腐蝕缺陷。

（2）根據(jù)多次試驗(yàn)來(lái)看相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以針對(duì)腐蝕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以二維圖像形式顯示且結(jié)構(gòu)、形狀清晰可辯結(jié)果直觀易觀察同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量分析。

（3）相控陣超聲檢測(cè)預(yù)埋螺栓腐蝕試驗(yàn)效果顯著因此采用相控陣超聲檢測(cè)預(yù)埋螺栓腐蝕缺陷是可行的。