杨琛 李光植 马延斌

兰州石化职业技术大学 机械工程学院 甘肃省兰州市 730060

高强度螺栓是指制造材料为高强度钢，或者此螺栓需要施以较大的预紧力，性能等级按规定在8.8级以上的螺栓，都可以称为高强度螺栓。钢桥领域以其作为其重要的连接方式之一。高强度螺栓的效率高、性能好、安全性、可靠性较高，广泛的应用于各个工程领域。目前，已经形成了从M12～M30完整体系的钢结构大六角高强度螺栓。施工方式也已经完成了转变，与英、美、日等国的发展水平相近，已经达到了世界先进水平。

高强度螺栓的应用非常广泛，当今大型发电设备、汽车、高铁、大飞机、大型船舶、大型成套设备等都有高强度螺栓的应用，其质量的好坏能对产品的结构安全和工作性能起着极其重要的作用。随着高强度螺栓的大量使用，和在关键产品、关键部位的使用，高强度螺栓的质量成为了影响产品质量的一个主要因素。高强度螺栓有松弛、脱扣、断裂等很多种失效形式。一旦失效，就会断开设备的连接。是螺栓所连接的被连接件解体。而在这些失效中，断裂最严重，归结其原因主要有以下几个方面：（1）在正常载荷作用下，由于静强度不足导致的断裂；（2）在长期交变载荷作用下的疲劳断裂；（3）材料强度不够、表面处理、制造质量、热处理、脱碳、表面裂纹等缺陷造成的断裂。而其中较为严重的就是螺栓表面裂纹及在役螺栓中的疲劳裂纹。而目前在役螺栓中的疲劳裂纹检测，我们可以使用常规超声波检测，但使用常规超声检测需要让设备停止工作，然后将螺栓卸下来再进行检验，使检测效率降低，同时在役设备检测空间有限，使得检测探头的可达性变得很差，进而降低了检测灵敏度，而且螺栓本身的螺纹结构也会影响普通超声检测结果的观察与评定。对检验结果的观察造成影响。为了解决了这些问题，我们引入了超声相控阵技术和导波相控阵技术，他们可以实现较大角度范围的扫查同时不移动检测探头，缺陷视图多样，检测结果直观，对缺陷的识别和判定提供了极大的帮助。同时这两种技术能检测几何形状非常复杂的工件、干扰可达性较好，后续通过配套软件的调整和处理，能极大地提高检测的灵敏度、分辨力及信噪比等。但是这些方法虽然已在使用，但操作步骤和操作难度仍然很大，并且结果需要进行较复杂的分析，对于缺陷的理解也只是停留在二维平面。对结果的实际位置需要经过反复操作才能准确得出。为此我们引入更为先进的3D相控阵技术进行检测，但3D相控阵在高强度螺栓的检测应用上仍处于初级阶段，没有对应的检测工艺。为此笔者结合超声相控阵检测高强度螺栓关键的技术及CTS-PA22T相控阵全聚焦实时3D超声成像系统，制定了高强度螺栓的检测工艺，实现了对高强度螺栓的快速、高效、直观的检测。解决了在役螺栓的检测难题。

1 基本理论

超声相控阵技术检测其原理为：利用指定顺利排列的线阵列或面阵列的阵元按照一定时序来激发超声脉冲信号，使超声波阵面在声场中某一点形成聚焦，增强对声场中微小缺陷检测的灵敏度，同时，可以利用对阵列的不同激励时序在声场中形成不同空间位置的聚焦而实现较大范围的声束扫查。而全聚焦相控阵超声波检测是采用新的数据处理方法来处理相控阵超声阵列的数据，也就是全聚焦成像算法，就是在成像平面上的每一像素点上有效地聚焦全矩阵数据集，这种方法极大程度上地提高了成像的效果和图像的分辨力。该方法会二次处理接收到的信号，二次分析检测回波，使缺陷成像效果更好，对缺陷的大小、位置和类型的识别更准确。本方法中使用的CTS-PA22T采用的就是64通道全并行的相控阵全聚焦（TFM）快速成像检测技术。实时采集材料内部的全矩阵（FMC）数据，并利用基于FPGA运算的高速硬件成像技术，实现了对材料的高精度实时3D成像。

2 工艺试验及结果分析

2.1 螺栓试样制备

根据检测所需的要求，在螺栓试样上加工不同深度的刻槽作为人工缺陷，螺栓试样及人工缺陷的尺寸，如图1所示（单位：mm）

图1 螺栓试样及人工缺陷尺寸

人工缺陷的制作形式均为垂直于高强度螺栓轴线刻槽，长度为8mm，开口的宽度为0.5mm，螺栓材料为碳钢热处理，人工缺陷的具体参数如表1所示。

表1 螺栓人工刻槽参数

2.2 操作工艺步骤

2.2.1 操作设备

CTS-PA22T设备主要由监控主机、相控阵全聚焦成像系统、相控阵探头及相关扫查装置组成，这里使用的相控阵探头为相控阵线阵探头，探头参数为：阵元间距：1.5*1.5mm；阵元数目：8*8，探头频率：5MHz。

2.2.2 操作步骤

（1）打开仪器。

打开监控主机。打开CTS-PA22T相控阵全聚焦成像系统，连接相控阵线阵探头，由于高强度螺栓结构限制，使用前取下相控阵线阵探头的斜楔块。连接监控主机与成像系统，这里要注意的是，主机和成像系统的连接主要有两种方式（见图3），一种是交叉网线直连，另一种是采用交换机间接连接。我们这里采用第一种交叉网线直连的方式。

图3 CTS-PA22T校准界面

（2）调整参数，校准仪器。

在监控主机中打开检测软件，选择3D纵波检测，进入3D纵波-工艺参数调节界面，调节探头参数为相控阵线阵探头参数，阵元间距1.5*1.5mm，阵元数目8*8，探头频率5MHz，楔块参数由于我们检测前取掉了楔块，所以楔块参数全部为零。工件参数为预设参数暂时不调整。点击校准按钮进入校准页面，对仪器进行快速校准。校准时，将材料放置在220mm标准试件上，调整工件厚度为试块厚度220mm，将阀门A调至一次回波，阀门B调制二次回波处，点击校准，仪器显示校准后参数，校准完成（如图4）。

图2 CTS-PA22T主机连接方式

（3）检测高强度螺栓并分析。

单击右上角的返回，返回参数界面。点击检测按钮进入检测主界面，将探头放置在高强度螺栓一端，调整区域高度为160mm，此时在屏幕中显示螺栓3D立体结构及缺陷空间位置，如图4所示。

图4 螺栓3D立体结构及缺陷空间位置

点击分析按键分析检测结果，具体为：

（1）40mm、60mm、80mm、90mm、115mm、130mm深度附近缺陷图像如图5所示。

图5 不同位置缺陷显示结果

（2）检测结果为0°的缺陷（40mm、80mm、115mm）显示清楚，检测结果为180°的缺陷（60mm、90mm、130mm）显示较模糊；

（3）从每一个结果成可以看出缺陷显示为一个范围尺寸，而不是准确的缺陷深度；

（4）检测痕迹受螺栓本身结构影响较大，结果中可以看到明显的螺纹痕迹。

分析结果得到以下结论：

（1）使用相控阵全聚焦实时3D超声成像检测系统可以快速检测出高强度螺栓的缺陷，对于在用螺栓的检验有很大的优势；

（2）由于检测设备技术不成熟，目前只能大致分析缺陷的位置范围，无法准确定位及定量分析缺陷；

（3）由于探头能量限制及干扰的影响，对于深度较大的缺陷的显示较困难，可以尝试由螺栓另一侧进行检验；

（4）缺陷的显示受探头摆放位置的影响，有些缺陷显示不清楚，可以调整角度进行检测；

（5）对于螺栓表面粗糙度有一定要求，较粗糙会干扰检测结果。

3 结语

相控阵全聚焦实时3D超声成像检测作为高强度螺栓超声波检测的一项新技术，极大的降低了螺栓失效的隐患。同时此项技术无论从检测方法还是检测操作的难易程度，以及检测结果的直观程度。与超声相控阵技术及传统超声检测技术相比，都有很大的优势，为现场的检测提供了一个快速、高效、准确的检验手段。同时相控阵技术不仅可以解决在役高强度螺栓检测的难题，还在检测速度、便捷程度和缺陷识别方面有较大的优势。

但是在检测过程中我们也发现，随着检测深度的增加，超声相控阵波束能量会迅速衰减，伴随而来的就是检测灵敏度和信噪的急剧下降，这将直接影响我们检测较长的高强度螺栓。尤其是相控阵全聚焦实时3D超声成像检测时，我们可以发现，其检测面由于声束的限制，是的检测范围较小，检测范围及显示范围较小。这对缺陷的准确大小的判定会有所影响，需要在检测中调整探头位置，已获得更好的结果。这对检测人员的要求也有所提高。同时在分析检测结果的时候，由于是立体图像，需要分析人员有较强的空间理解能力。

而作为一项快速检测高强度螺栓缺陷的技术，我们结合超声相控阵和导波相控阵等技术的辅助，我们就可以实现高强度螺栓快速、高效、流水线式的检测全覆盖，在不拆卸高强度螺栓的前提下，通过螺栓一个端面的检测就能完成整条螺栓的检测，大大提高了工作效率，降低了成本。随着此项技术的发展，将来可能会因为技术的成熟而不需要超声相控阵和导波相控阵等技术的辅助，真正实现一站式、快速、高效、准确、清晰的高强度螺栓检测。