相控阵超声检测预埋螺栓腐蚀的可行性研究

引言

工业生产中某些大型设备通过预埋螺栓矗立于基础等上面,预埋螺栓大部分置于钢筋混凝土等基础内,伸出基础部分极短,并通过螺母将主体设备基础紧固连接。预埋螺栓在螺母及以下部分处于掩蔽状态,受复杂地理地貌腐蚀环境影响,潮湿气体不易蒸发,长时间持续腐蚀导致预埋螺栓杆体腐蚀损伤,形成腐蚀沟槽,使预埋螺栓的剪切强度和抗拉强度显著降低,严重时可能发生倾覆倒塌等事故,给工业生产造成严重的经济损失。由于预埋螺栓是掩蔽部件,多数腐蚀位置与腐蚀情况难以在巡检中目视可及,目前还没有相当可靠的检测手段,成为困扰设备安全隐患排查的难题。本文根据预埋螺栓的结构特点,分析了常规超声检测的难点,提出了相控阵超声检测技术,研究了相控阵超声检测腐蚀缺陷的成像效果。

1常规超声检测腐蚀问题分析

工业设备用螺栓在役无损检测一般采用纵波直探头常规超声进行检测,但对预埋螺栓腐蚀无法实现检测目的,存在如下问题:

(1）常规超声检测呈现波形复杂,主要由于螺栓几何结构和螺纹锯齿面反射以及多次反射,产生的干扰波和变形波多,不利于观察和判别。

(2）预埋螺栓的腐蚀成沟槽型属于带角度面积型缺陷,即结构和走势倾斜或圆弧态,采用常规直探头垂直检测,由于探头声束角度单一,不能有效接收反射回波,较难发现腐蚀缺陷,检测可靠性极差。

2相控阵超声检测地脚螺栓原理及优点

2.1相控阵超声原理

相控阵超声检测探头为多晶片探头,每个晶片的激励均由计算机控制,计算机控制信号系统产生带有延迟(按一定规则和时序）的电压脉冲并传输至各个晶片,该脉冲频域信号列在各个晶片产生压力信号,同时在压力信号激励下产生超声波,各个晶片发射的多声束超声波相互叠加产生超声聚焦波束,聚焦声束的偏转角度、焦距范围、焦点尺寸等均由计算机控制器通过软件设置调整。当遇到缺陷或障碍物,超声波将反射回晶片,由计算机控制各个晶片按一定规则和时序接收缺陷或障碍物发射回的超声波转换成脉冲信号,信号系统将各个晶片转换的脉冲信号进行合成并传输至编译显示器,编译显示器再将合成的结果以适当形式成像显示。相控阵超声检测原理如图1所示。

2.2相控阵超声检测技术的优点

(1）相控阵超声检测能够通过电子扫描方式实现声束角度偏转和移动,在不移动探头的情况下超声聚焦波束覆盖检测区域,检测速度快、效率高。

(2）检测结果成二维图像显示,与常规A扫描波形显示相比具有极大优势。

(3）二维图像显示易识别,容易区分判断缺陷和非缺陷信号,通过图像数据判读,检测结果分析,评定方便快捷。

(4）相控阵超声采用数字技术和图像技术进一步提高了信噪比。

3试验方法与材料

笔者采取试验方法对预埋螺栓腐蚀的相控阵超声检测进行研究。根据腐蚀特点,通过模拟腐蚀形态并加工成试样进行检测试验,验证相控阵超声检测技术对腐蚀缺陷的检测效果。

3.1地脚螺栓材料与试样

试样材质取0235作为试验试样材料,根据试验所需选取内部无缺陷的圆钢作为模拟螺栓试样。选用圆钢试样规格为625mm×300mm,端面粗糙度3.2,在试样杆体上采用机加工方式制作模拟腐蚀缺陷。为方便加工选取V型和锥型试样模拟腐蚀,深度为4mm、7.5mm,V型模拟试样分别加工坡口角度45o、60o,试验试样如图2所示。

3.2试验仪器设备

试验所使用的相控阵超声检测仪器为PHAsCAN便携式相控阵超声检测仪对于本次试验所用的相控阵超声检测探头为5L16-0.5×10一维线性阵列探头。试验灵敏度:以下试验均以100mm深大平底底波提高12dB作为参考灵敏度。

4试验过程与结果分析

4.1相控阵超声检测扇扫查角度

相控阵超声检测扇扫声像基础图像反映了被检工件的结构和缺陷特征相控阵不同的扇扫角度所包含的信息量也不同。

根据预埋螺栓在役检测实际情况只能利用预埋螺栓裸露部位的端面进行检测通过平整的端面使相控阵超声偏转聚焦声束轴向射入地脚螺栓杆体内在有效检测范围内实现整体检测因此选择地脚螺栓检测的扫查方式只有扇形扫查符合检测要求。扇扫角度的选择需要考虑螺栓几何结构、检测范围和成像失真程度等。经试验对比选择起始角度-30°～30°较为适于该直径预埋螺栓检测。

4.260°和45°V型模拟试样检测试验

预埋螺栓腐蚀存在一定坡口角度、截面突变的面积缺陷为研究相控阵检测效果试验使用坡口角度为45°、60°坡口深度为7.5mm的V型模拟试样进行同一深度、不同坡口角度的模拟腐蚀缺陷检测。试验检测效果如图3所示60°V型、45°V型反映了腐蚀缺陷不同倾向角度的反射面声像特征从图像中可以看出与实物结构形态一样经测量尺寸一致。试验表明相控阵超声检测技术具有直观显示不同缺陷形态和准确测量分析的效果。

4.3锥形模拟试样检测试验

为研究截面突变较缓、坡面角度较大的腐蚀性面积缺陷相控阵超声检测效果选择坡口深度为7.5mm的锥形模拟试样进行检测试验图4为锥形模拟试样检测声像效果图。

从图4声像图上可以看到锥形模拟试样人造缺陷的2/3部位图像清晰可辩显示形态与实物基本一样试样锥形起始端加工错位图像上也明显可见。声像图向下1/3部位清晰度较弱甚至很难看到经分析是由于超声声束入射随深度增加入射角度也随增大导致声束从面积缺陷界面反射回的超声波能量逐渐降低最后相控阵探头难以接收有效超声波束。试验中可以看到在一定范围即使腐蚀缺陷坡口较大也能直观显示和测量。

图4机加工锥形模拟试样检测声像效果图

5结论

（1)常规超声直探头检测方法无论是波形观察还是测量定位均难检测腐蚀缺陷。

（2）根据多次试验来看相控阵超声检测技术可以针对腐蚀结构特点以二维图像形式显示且结构、形状清晰可辩结果直观易观察同时可进行数据测量分析。

（3）相控阵超声检测预埋螺栓腐蚀试验效果显著因此采用相控阵超声检测预埋螺栓腐蚀缺陷是可行的。