運用渦流檢測法檢測緊固螺栓的研究

石昕(江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，江西 南昌 330029)

0 引言

螺栓螺母廣泛應用于風電機組設(shè)備、娛樂設(shè)施設(shè)備、核電廠動力設(shè)備、發(fā)電廠動力設(shè)備等機械部件的連接，并且長期處于高溫、高應力狀態(tài)下工作。由于預緊力過高等原因，螺栓部件容易產(chǎn)生裂紋，尤其是氣缸、主汽門、調(diào)速汽門等緊固螺栓，在運行檢修過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有斷裂的現(xiàn)象。一直以來火電廠都將高溫緊固螺栓作為重點監(jiān)視部件，要求嚴格檢測并盡早發(fā)現(xiàn)小裂紋或損傷。本文通過采用專用掃查設(shè)備對大型螺栓(M≥60mm)進行渦流檢測。相比常規(guī)超聲檢測或磁粉滲透檢測，本文實現(xiàn)對大型螺栓的方便快捷現(xiàn)場檢測，提高了對近表面缺陷有效檢出率，降低了人工成本。

1 緊固螺栓檢測現(xiàn)狀

目前國內(nèi)僅電力行業(yè)的DLT 694 《高溫緊固螺栓超聲檢測技術(shù)導則》[1]、DLT439《火電發(fā)電廠高溫緊固技術(shù)導則》[2]技術(shù)規(guī)范對螺栓進行常規(guī)超聲檢測或表面檢測[3-5]。部分檢測研究機構(gòu)對螺栓螺母進行試驗研究，中廣核檢測、國核運行以及武漢105 所三家單位引進國外核電螺栓螺母渦流檢測技術(shù)，并自主研發(fā)渦流檢測裝置，專門用于大型螺栓螺母渦流檢測[6]。北京英超利達電子有限公司針對娛樂設(shè)施高強度緊固螺采用小角度縱波探傷[7]，通過在螺栓對比試樣制作10mm 人工裂紋，試驗表明1mm 深裂紋以下，裂紋反射回波與螺紋反射回波無法區(qū)分，探測1mm 以上深裂紋時，裂紋反射回波與螺紋反射回波可明顯區(qū)分。

本文選取火電廠典型規(guī)格的螺栓螺母部件，采用渦流檢測方法，探究適用于大型螺栓螺母螺紋區(qū)渦流檢測技術(shù)，從而解決發(fā)電廠設(shè)備、風電等典型大型螺栓螺母螺紋區(qū)表面檢測。

2 螺栓渦流檢測

渦流檢測技術(shù)的最大優(yōu)勢在于其自動化程度高，因此，本次研究中對大型螺栓渦流檢測采用自動掃查專用裝置，通過自動化實時同步控制，調(diào)節(jié)渦流檢測儀對螺栓檢測數(shù)據(jù)的采集，并經(jīng)過軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集和分析。

2.1 專用掃查裝置

通過設(shè)計自動化的大型螺栓專用掃查裝置，實現(xiàn)快速有效的螺栓渦流自動化檢測。掃查裝置主要由支撐裝置、動力傳動機構(gòu)和通過垂直支架固定的掃查臂組成，重心靠近支撐座，通過連接支撐腿保證整個裝置水平穩(wěn)定。

根據(jù)國內(nèi)螺栓規(guī)格及需求，按設(shè)計方案制作出的專用掃查裝置主要包含四個部分：底盤和固定腿、鋁合金垂直支架、螺栓和螺母的檢查臂、底座以及尾架(對中裝置)。

2.2 渦流傳感器

本系統(tǒng)采用的渦流探頭為帶螺紋的楔形放置式探頭，能較好的適應螺紋區(qū)的形狀。根據(jù)工件(螺栓)的特性及檢驗實施的便捷性，主要選擇以放置式線圈為主，在盡可能滿足檢查靈敏度和分辨力的情況下，我們采取將高能磁芯放置于線圈內(nèi)部以獲得高的磁通密度，提高檢測深度。同時考慮到螺栓常見缺陷為點狀和線狀缺陷，采取自比差動式線圈在獲得高的檢測靈敏度時也可以更好的抑制電平噪聲，一定程度上消除螺栓與探頭嚙合相對運動時的震動產(chǎn)生的水平噪聲對缺陷信號的干擾。對于差動式線圈，采取了兩種設(shè)計方式，一種為平面點式自比差分線圈，一種為正交+線圈。

2.3 渦流檢測系統(tǒng)應用

選用型號為西班牙TEDDY+多頻/多通渦流儀，通過西班牙TECNATOM 開發(fā)的TEDDY-GEN 軟件對數(shù)據(jù)進行據(jù)采集和分析。檢測對象為1Cr11MoNiW1bN-IV 低合金鋼螺栓，螺栓直徑M=100mm，長度為900mm，機加工人工缺陷深度分別為0.5mm、1.0mm、2.0mm 的裂紋(由于螺栓為退役螺栓，已經(jīng)使用過8 年，根部的螺紋都已經(jīng)變形)。采樣率根據(jù)探頭與被檢螺栓/螺母的相對運動速度而定，但至少應滿足每毫米大于2 個采樣點的要求，頻率設(shè)置為300kHz。

2.3.1 系統(tǒng)設(shè)備連接

將螺栓/螺母安裝在專用裝置并進行對中和固定，然后連接設(shè)備及執(zhí)行數(shù)據(jù)采集分析軟件TEDDY-GEN。連接線包括：編碼器線纜(驅(qū)動上下編碼器上下運動控制)、控制線纜(控制箱控制上下運動的速度)、渦流數(shù)據(jù)線(渦流信號傳輸)以及交叉網(wǎng)線(渦流儀連接XP 電腦)。

2.3.2 系統(tǒng)標定

利用標定螺栓按照經(jīng)驗公式對信號標定要求對渦流檢驗系統(tǒng)進行初始標定。信號調(diào)整后，0.5mm 傷信號幅度為滿屏的20%，噪聲水平，且應能夠明顯區(qū)分標定螺栓/螺母上的0.5mm人工傷深信號顯示與本底噪聲信號顯示。

2.3.3 檢測結(jié)果分析

連接渦流儀及控制系統(tǒng)，采用自動化裝置掃查螺栓螺紋區(qū)，進行渦流數(shù)據(jù)采集，采集后通過分析軟件打開采集的數(shù)據(jù)對檢測結(jié)果進行分析。

初始結(jié)果如圖1 所示，左邊圖形為李薩如圖(采集的數(shù)據(jù)為由上至下，最上面部分為2mm 深度的裂紋，中間的為1mm 深度的裂紋，最低端是0.5mm 深度的裂紋)，右邊為渦流C 掃圖(采集的數(shù)據(jù)為至下而上)。可以根據(jù)顯示自由調(diào)節(jié)角度，將裂紋方向的缺陷調(diào)至90°(向右)，以便所有的缺陷方向都向右，便于觀察。

將采集數(shù)據(jù)保存，并用分析軟件打開剛保存的渦流數(shù)據(jù)。在分析軟件中設(shè)定每米2000 個采樣點，并讀取渦流檢測系統(tǒng)標定螺栓的標定數(shù)據(jù)，標定為2mm 裂紋深度的渦流幅值電壓為8V，通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)C 掃對比度，觀察能夠顯示缺陷最佳對比度，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 軟件分析結(jié)果示意圖

結(jié)果分析：

(1)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，深度為2mm 裂紋的電壓幅值為10.21V，深度為1.0mm 裂紋的電壓幅值為6.82V，深度為0.5mm裂紋的電壓幅值為0.81V。

(2)采用300kHz 頻率進行渦流檢測，在螺栓螺紋不規(guī)則情況下，能夠分辨0.5mm 深度的裂紋。

(3)由于螺栓螺紋區(qū)螺紋有變形，導致檢測信號噪聲較大，最大噪聲為0.72V，對于小于0.5mm 以下裂紋有影響。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的無損檢測難以滿足螺栓檢測對高效率、高可靠性的要求，通過對大型螺栓進行自動化渦流檢測試驗研究，實現(xiàn)對螺栓快速、準確的檢測，提高近表面缺陷有效檢出率，為螺栓螺母檢測技術(shù)和方向提供參考。