胡栋++翟永军++刘华伟

[摘 要]针对目前承压类特种设备中M36以上主螺栓超声检测效率低、可靠性差的问题，提出采用超声相控阵技术进行检测研究。本文首先讨论了超声相控阵检测的技术特点和优势，在CIVA仿真软件中构建了检测模型，结合仿真结果对某压力容器M36主螺栓进行了检测试验，结果表明：超声相控阵检测技术一次扫查即可实现对螺栓内部和齿根缺陷的检测，成像范围广，检测效果直观，具有较高的检测效率和可靠性。

[关键词]承压类特种设备；M36主螺栓；超声相控阵检测；仿真

中图分类号：X924.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0365-01

0引言

螺栓是承压类特种设备中常见的紧固件之一，在我国现行的特种设备安全技术规范[1]中指出，M36以上的承压设备主螺栓属于设备本体中的主要受压元件，因此需要进行法定的检验检测。目前，对该元件的无损检测主要采用柱体内部缺陷超声直探头检测和螺纹根部裂纹的小K值超声斜探头检测[2]，该过程不仅需要频繁更换探头，而且容易受边缘效应而对检测结果产生影响，因此大大的降低了检测效率和检测结果的可靠性。

1 超声相控阵检测分析

M36以上主螺栓检测面窄，探头移动空间受限；柱体长度较大、直径小；螺纹分布密集，常规的超声检测技术容易产生漏检，而超声相控阵检测探头是由一组压电晶片按一定规则组成阵列，通过控制各晶片的激发延时，有效的控制声束的扫描角度和聚焦位置，大大提高声束的覆盖范围和指向性，如图1所示，

因此，超声相控阵用于M36以上主螺栓的无损检测具有可行性。然而，由于超声相控阵各晶片的相对独立性，其波束模式呈现主瓣旁瓣特征，如图2所示。

在图2中，位于0°角位置的波束为主波束或主瓣，其余为旁波束或旁瓣。由于M36主螺栓柱体长且窄的特征，侧壁的旁瓣的回波容易导致对主瓣回波的干扰，此外，主瓣宽度越大，扩散角越大，对柱体底部的指向性变差，影响检测结果，因此需要对超声相控阵检测参数进行优化。

超声相控阵波束响应的计算公式为[5]：

（1）

其中为波束响应，是给定加权矢量（列矢量）的转置，是阵列响应矢量（列矢量）。

对于均匀线性阵列（uniform linear array，ULA），其阵列响应矢量为：

（2）

其中M为晶片数，，为相邻晶片间距，为波长。

由公式（1）（2）可知，晶片数越多，波长越短，主瓣越高越窄，旁瓣越低，系统指向性和分辨率越高。因此在M36以上主螺栓的超声相控阵检测中，应尽量选择高频多阵元（晶片）探头。

2 仿真与试验研究

如图3所示，在CIVA仿真过程中采用64阵元5MHz探头，激发规则为两侧晶片首先激发，内侧晶片依次延时激发，实现对中心轴向的聚焦。

仿真对试件中设置的孔型和槽型缺陷产生了准确的相应，结果表明，采用5MHz，64阵元超声相控阵可以实现对M36以上主螺栓的有效检测。

为验证理论与仿真结果，本文对M36以上主螺栓进行了超声相控阵试验研究，试验采用OLYMPUS MX-2型便携式超声相控阵检测仪，探头为64阵元，5MHz，安装0°楔块，如图4所示。

检测中采用的扫描方式为A扫描和扇形扫描，扫描角度为-30°-30°，采样频率为100MHz，激发电压为80V，获得的图像如图5所示，在不移动探头的情况下，检测共发现不同角度缺陷7处，缺陷显示直观，信噪比较高。

3 结论

（1） 超声相控阵检测技术在M36以上主螺栓检测中能有效的代替传统超声直探头与斜探头的检测结合，并具有更高的检测效率与检测可靠性。

（2） 超声相控阵检测结果直观，便于检测人员对缺陷的分析。

（3） 高频多阵元的超声相控阵在细长杆结构的金属检测中具有有效的应用。

参考文献

[1]固定式压力容器安全技术监察规程 TSG 0004-2009

[2]夏智.对压力容器钢制高压螺栓的无损检测[J].安徽化工，2008，04：65-66.