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Inconel 783鎳基合金螺栓超聲相控陣導波檢測技術(shù)研究

2023-02-17 09:19 作者:上海雄鋼合金 0人讀過 | 我要投稿

0引言

螺栓作為各種設(shè)備的連接件,是工業(yè)裝備中的標準配件之一。在電力行業(yè),螺栓在高溫高壓、振動等各種惡劣工況下服役﹐容易產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋擴展到一定程度﹐就可能導致螺栓脆性斷裂,造成重大安全事故,嚴重威脅人員及機組安全。

目前常規(guī)的無損檢測方法主要有五種:射線檢測、滲透檢測﹑超聲檢測﹑磁粉檢測和渦流檢測3。其中射線檢測對于裂紋的檢測效果較差,而磁粉檢測、滲透檢測﹑渦流檢測只能檢測表面和近表面缺陷,對于內(nèi)部裂紋無能為力;故相對而言﹐超聲檢測是一種更適用于螺栓裂紋的檢測手段。通過理論和試驗研究﹐探索一種有效可行的超聲波檢測方案,實現(xiàn)在役螺栓的檢測,對機組安全生產(chǎn)具有重要意義。

Inconel 783合金是一種抗氧化且具有低熱膨脹系數(shù)的超合金。隨著超超臨界技術(shù)的興起與發(fā)展,該合金被用于制造超超臨界組高溫螺栓等主要部件。相比于其他低膨脹高溫合金,該合金含有較高成分的Al,顯著提高了合金的抗日氧化能力和強度金Cr含量的減少﹐使之熱膨脹系數(shù)進一步降低。Inconel 783螺栓為帶有中心孔的柔性螺栓,其螺紋部與腰部結(jié)合處存在縮頸,這使得常規(guī)超聲檢測方法受到明顯的雜波干擾。螺栓常規(guī)超聲檢測的主流方法是采用常規(guī)直探頭與小角度縱波斜探頭進行檢測”﹐目前應(yīng)用廣泛,但其亦存在著不可忽視的劣勢，主要體現(xiàn)在:

(1)常規(guī)探頭的檢測效率較低;

(2）螺栓多數(shù)幾何形狀為細長結(jié)構(gòu),超聲縱波的側(cè)壁干涉效應(yīng)強烈﹐導致靈敏度下降。

(3）雖然螺栓裂紋多數(shù)為走向簡單的環(huán)向裂紋,但由于存在螺紋﹑腰部結(jié)構(gòu)反射波﹐疊加縱波﹑橫波的波形轉(zhuǎn)換的干擾,缺陷的識別具有一定難度。

1研究方法

1.1超聲相控陣導波檢測原理

(1)導波檢測技術(shù)

超聲波在介質(zhì)中傳播時,若介質(zhì)中有兩個或以上的界面存在,超聲波將發(fā)生來回反射,這些往返的波將會產(chǎn)生復雜的波型轉(zhuǎn)換,波與波之間還發(fā)生干涉。比較典型的導波介質(zhì)包括圓柱殼、桿和層狀的彈性體等。超聲波在圓桿導波中的傳播具有多模態(tài)、頻散的特性,通過求解頻率方程可以得到導波各個模態(tài)的相速度和群速度。在同一頻率下,會同時產(chǎn)生兩個或以上的模態(tài)﹐并且各模態(tài)具有不同的群速度以及不同程度的頻散,即群速度隨著頻率的變化而變化,波形混雜,難以用于檢測缺陷;但低頻段的L(O,1)模態(tài),速度最快,通?？梢杂米鳈z測信號。

(2)相控陣檢測技術(shù)

相控陣技術(shù)來源于電磁波雷達技術(shù)相控陣探頭由多個獨立工作的壓電晶片按照一定的要求組成陣列,計算機對各個晶片的相位延時實現(xiàn)電子控制,使探頭發(fā)射和接收可控方向、聚焦等參數(shù)的超聲波束,如圖1所示。通過電子控制聲束的位置和方向,就能實現(xiàn)多聲束檢測和電子掃查,提高了探頭的掃查覆蓋能力,降低了空間位置對機械掃查的局限;多個方向的聲束檢測能提高超聲波對不同方位裂紋的檢測能力。

1.2Inconel 783螺栓中超聲柱面導波的傳播

導波的一個最重要特征是各模態(tài)具有不同的特性8,同一模態(tài)在不同周期和不同頻率下傳播的特征也不同,這種特性與鋼桿自身以及檢測系統(tǒng)選取等有關(guān)。在空心圓柱狀物體中傳播的導波存在3種模態(tài),即縱向軸對稱模態(tài)(L模態(tài))扭轉(zhuǎn)模態(tài)(T模態(tài))和彎曲模態(tài)(F模態(tài))。在螺栓導波檢測中，分析最佳模態(tài)參數(shù),可確定激發(fā)聲波的最佳頻率和最優(yōu)周期,從而提高螺栓以及缺陷的檢測質(zhì)是1圖2、圖3為通過計算得到的置于空氣中M72x 330螺栓的超聲柱面導波頻散曲線。圖4、圖5為通過計算得到的置于空氣中?M90 x385螺栓的超聲柱面導波頻散曲線。

從以上超聲柱面導波相速度頻散曲線可見,0~5MHz的范圍內(nèi),除L(O,X)模態(tài)以外,其他的頻散曲線均有截止頻率,這就使得L(O,X)模態(tài)具有更寬的頻率范圍、更強的獨立性;圖6中波1的成分為L(O,1),根據(jù)表1的聲速計算結(jié)果,可見L(O,1)模態(tài)具有更高的速度,可以在回波分析中更加明顯,適用于螺栓裂紋檢測;在5MHz時導波軸向位移主要集中在桿內(nèi)部,基本不受外部介質(zhì)影響,圖7為該狀態(tài)下的波包形狀(黃色部分)﹐相比同一模態(tài)其他頻率下的導波,衰減更小,可以傳播更遠的距離,故可以用來檢測螺栓。

1.3螺栓超聲柱面導波相控陣檢測系統(tǒng)開發(fā)

基于以上理論分析﹐項目組自主組裝了一套超聲導波螺栓無損檢測系統(tǒng)(如圖8所示)。包括:HSPA20-Ae(Bolt)16/64陣元相控陣專用檢測儀;高頻64陣元環(huán)型一維線陣相控陣探頭。

主機參數(shù)如下:

(1)具有16:64相控合成(激發(fā)陣元數(shù):至少64個,接收陣元數(shù):至少16個);

(2)全程動態(tài)聚焦;顯示屏為8.4英寸24位真彩顯示,分辨率1024×768;數(shù)據(jù)存儲:內(nèi)部32GB,外接USB可直接存儲;

(3)供電方式:AC220-DC15V交流適配器，11.1V鋰電池;系統(tǒng)帶寬:0.5~15MHz(-3dB);

(4)數(shù)字化頻率:100MHz8bit;掃查圖像:A/C/S/L;S掃線束:256;脈沖激發(fā)方式:負方波,脈沖寬度為30~500ns(步進10ns);發(fā)射電壓為50~100V;

(5)增益調(diào)節(jié)范圍:0~110dB,調(diào)節(jié)精度最小0.1dB。

探頭參數(shù)如下:陣元形式:環(huán)形一維線陣;陣元數(shù)量:64陣元;探頭頻率:依據(jù)頻散曲線選擇2~10MHz;探頭直徑:探頭外徑小于螺栓外徑2~5mm。

1.4lnconel783螺栓模擬試塊的制備

本項目共制作了5個螺栓模擬試塊。其中1個為完好螺栓,未加工缺陷;另外4個螺栓均在外壁分別加工了2處人工缺陷,缺陷信息如表2所示。表2中的“缺陷深度”指缺陷與螺栓中心孔側(cè)端面的最小距離。

1.5螺栓缺陷的檢測實驗

首先在無缺陷螺栓試塊上進行檢測，結(jié)果如圖9所示?？梢妼Рǖ膫鞑ヌ匦允孤菁y回波的干擾基本消失。但由于螺栓結(jié)構(gòu)反射的原因,腰部一直存在幅值不可忽略的固有回波顯示,對檢測造成輕微的干擾。但是在轉(zhuǎn)動探頭的過程中,結(jié)構(gòu)的固有回波是不變的,而缺陷波必定在探頭的轉(zhuǎn)動過程中同時移動,以此方法可以分辨缺陷波。

再分別對每一個有缺陷螺栓試塊進行檢測,記錄檢測到的缺陷信息。缺陷的信息包括位置、波幅、長度;其中位置包括深度(與探頭端面的距離)﹑周向位置(以晶片位置指示)。各缺陷的信息按照以下方法確定并記錄:

(1)軸向距離:在聲程數(shù)據(jù)欄(S)直接讀數(shù);(2)周向位置:將閘門移動至缺陷處,在環(huán)形探頭示意圖上會顯示對應(yīng)的晶片，按照晶片序號(Cur)在實際探頭上可以找到對應(yīng)位置并記錄;

(3)波幅:將閘門移動至缺陷最高波處,從A掃信號中讀取峰值波幅;

(4)長度:將閘門依次移動至缺陷兩端的位置，按照6dB法進行端點定位,然后分別讀取周向位置數(shù)據(jù)欄(L)數(shù)字,相減即得缺陷長度。

2結(jié)果與討論

按照以上方法對螺栓試塊的人工缺陷分別進行檢測,結(jié)果如下:在對1號螺栓試塊的檢測中共發(fā)現(xiàn)了2處缺陷。

在檢測過程中,發(fā)現(xiàn)第1個缺陷的位置是距離端面(中心孔端)87.3mm處,波幅為增益26dB(A)時滿屏87.8%,如圖10所示;此時對應(yīng)的是37號晶片,在探頭上找到對應(yīng)位置,可記錄缺陷在螺栓的周向位置;再測定右端點的位置0.71mm，如圖11所示;再測定左端點的位置–13.01mm,如圖12所示,則計算得到缺陷長度為13.72mm。