相控陣超聲檢測預埋螺栓腐蝕的可行性研究

引言

工業(yè)生產中某些大型設備通過預埋螺栓矗立于基礎等上面,預埋螺栓大部分置于鋼筋混凝土等基礎內,伸出基礎部分極短,并通過螺母將主體設備基礎緊固連接。預埋螺栓在螺母及以下部分處于掩蔽狀態(tài),受復雜地理地貌腐蝕環(huán)境影響,潮濕氣體不易蒸發(fā),長時間持續(xù)腐蝕導致預埋螺栓桿體腐蝕損傷,形成腐蝕溝槽,使預埋螺栓的剪切強度和抗拉強度顯著降低,嚴重時可能發(fā)生傾覆倒塌等事故,給工業(yè)生產造成嚴重的經濟損失。由于預埋螺栓是掩蔽部件,多數腐蝕位置與腐蝕情況難以在巡檢中目視可及,目前還沒有相當可靠的檢測手段,成為困擾設備安全隱患排查的難題。本文根據預埋螺栓的結構特點,分析了常規(guī)超聲檢測的難點,提出了相控陣超聲檢測技術,研究了相控陣超聲檢測腐蝕缺陷的成像效果。

1常規(guī)超聲檢測腐蝕問題分析

工業(yè)設備用螺栓在役無損檢測一般采用縱波直探頭常規(guī)超聲進行檢測,但對預埋螺栓腐蝕無法實現檢測目的,存在如下問題:

(1）常規(guī)超聲檢測呈現波形復雜,主要由于螺栓幾何結構和螺紋鋸齒面反射以及多次反射,產生的干擾波和變形波多,不利于觀察和判別。

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

2相控陣超聲檢測地腳螺栓原理及優(yōu)點

2.1相控陣超聲原理

相控陣超聲檢測探頭為多晶片探頭,每個晶片的激勵均由計算機控制,計算機控制信號系統產生帶有延遲(按一定規(guī)則和時序）的電壓脈沖并傳輸至各個晶片,該脈沖頻域信號列在各個晶片產生壓力信號,同時在壓力信號激勵下產生超聲波,各個晶片發(fā)射的多聲束超聲波相互疊加產生超聲聚焦波束,聚焦聲束的偏轉角度、焦距范圍、焦點尺寸等均由計算機控制器通過軟件設置調整。當遇到缺陷或障礙物,超聲波將反射回晶片,由計算機控制各個晶片按一定規(guī)則和時序接收缺陷或障礙物發(fā)射回的超聲波轉換成脈沖信號,信號系統將各個晶片轉換的脈沖信號進行合成并傳輸至編譯顯示器,編譯顯示器再將合成的結果以適當形式成像顯示。相控陣超聲檢測原理如圖1所示。

2.2相控陣超聲檢測技術的優(yōu)點

(1）相控陣超聲檢測能夠通過電子掃描方式實現聲束角度偏轉和移動,在不移動探頭的情況下超聲聚焦波束覆蓋檢測區(qū)域,檢測速度快、效率高。

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

(3）二維圖像顯示易識別,容易區(qū)分判斷缺陷和非缺陷信號,通過圖像數據判讀,檢測結果分析,評定方便快捷。

(4）相控陣超聲采用數字技術和圖像技術進一步提高了信噪比。

3試驗方法與材料

筆者采取試驗方法對預埋螺栓腐蝕的相控陣超聲檢測進行研究。根據腐蝕特點,通過模擬腐蝕形態(tài)并加工成試樣進行檢測試驗,驗證相控陣超聲檢測技術對腐蝕缺陷的檢測效果。

3.1地腳螺栓材料與試樣

試樣材質取0235作為試驗試樣材料,根據試驗所需選取內部無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,試驗試樣如圖2所示。

3.2試驗儀器設備

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

4試驗過程與結果分析

4.1相控陣超聲檢測扇掃查角度

相控陣超聲檢測扇掃聲像基礎圖像反映了被檢工件的結構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。

根據預埋螺栓在役檢測實際情況只能利用預埋螺栓裸露部位的端面進行檢測通過平整的端面使相控陣超聲偏轉聚焦聲束軸向射入地腳螺栓桿體內在有效檢測范圍內實現整體檢測因此選擇地腳螺栓檢測的掃查方式只有扇形掃查符合檢測要求。扇掃角度的選擇需要考慮螺栓幾何結構、檢測范圍和成像失真程度等。經試驗對比選擇起始角度-30°～30°較為適于該直徑預埋螺栓檢測。

4.260°和45°V型模擬試樣檢測試驗

預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效果試驗使用坡口角度為45°、60°坡口深度為7.5mm的V型模擬試樣進行同一深度、不同坡口角度的模擬腐蝕缺陷檢測。試驗檢測效果如圖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物結構形態(tài)一樣經測量尺寸一致。試驗表明相控陣超聲檢測技術具有直觀顯示不同缺陷形態(tài)和準確測量分析的效果。

4.3錐形模擬試樣檢測試驗

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效果選擇坡口深度為7.5mm的錐形模擬試樣進行檢測試驗圖4為錐形模擬試樣檢測聲像效果圖。

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)與實物基本一樣試樣錐形起始端加工錯位圖像上也明顯可見。聲像圖向下1/3部位清晰度較弱甚至很難看到經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量。

圖4機加工錐形模擬試樣檢測聲像效果圖

5結論

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

（2）根據多次試驗來看相控陣超聲檢測技術可以針對腐蝕結構特點以二維圖像形式顯示且結構、形狀清晰可辯結果直觀易觀察同時可進行數據測量分析。

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