高強(qiáng)螺栓疲勞損傷的相控陣超聲檢測

王賢強(qiáng)，郭永保，馬志華，楊 羿，劉 朵，張建東

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室, 南京 211112；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 南京 211189；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,南京 210024；4.南通市公路事業(yè)發(fā)展中心,南通 226001)

隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的大量建設(shè)，栓接和焊接已成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要連接形式，栓接因具有施工簡便、易于更換等優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。栓接時所采用的高強(qiáng)螺栓出廠時內(nèi)部可能存在微小缺陷，使用過程中又受到荷載長期沖擊，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，引起斷裂失效[3]。特別是鋼桁架橋高強(qiáng)螺栓數(shù)量眾多，螺栓斷裂脫落一方面會影響節(jié)點受力性能，另一方面會對行車與通航安全造成嚴(yán)重威脅。高強(qiáng)螺栓使用過程中的疲勞裂紋通常不易被發(fā)現(xiàn)，且很難預(yù)防，如何及時、有效地識別其疲勞損傷，在螺栓發(fā)生斷裂脫落之前進(jìn)行更換，引起了橋梁工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[4-5]。

目前，高強(qiáng)螺栓的疲勞裂紋檢測主要包括拆卸檢測和原位檢測兩類[6-7]。拆卸檢測費時費力、工序繁瑣，難以保證在役高強(qiáng)螺栓的全覆蓋檢測，且拆除過程會影響高強(qiáng)螺栓的使用性能，破壞防腐封閉涂層[8]。原位檢測直接在螺栓端部進(jìn)行超聲檢測，不影響螺栓的使用狀態(tài)，具有穿透能力強(qiáng)、檢測效率高、易于實施等優(yōu)點。張海兵等[9]采用超聲縱波法對航空螺栓的損傷進(jìn)行檢測，分析了損傷波形特點和不同檢測參數(shù)對檢測結(jié)果的影響。王鋒等[7]通過CIA仿真對高鐵制動盤螺栓的超聲檢測工藝進(jìn)行了優(yōu)化，研究了預(yù)緊力對損傷定量的影響規(guī)律。常規(guī)超聲檢測一般采用縱波直探頭通過反射回波特征進(jìn)行損傷或缺陷識別，聲束單一，掃查角度和覆蓋范圍有限，且由于受到螺紋齒面波形畸變的干擾，信噪比和靈敏度較低。相比于常規(guī)超聲檢測，相控陣超聲檢測(PAUT)能夠控制焦點尺寸、焦點深度和聲束方向，具有更大的掃查范圍和檢測分辨力，其靈敏度高，損傷視圖成像更加直觀，克服了常規(guī)超聲檢測的局限性[10]。相控陣超聲主要應(yīng)用于核電、風(fēng)電等領(lǐng)域設(shè)備螺栓的裂紋檢測，由于螺栓構(gòu)造、規(guī)格、材料與鋼橋高強(qiáng)螺栓存在明顯差異，因此，需要對鋼橋高強(qiáng)螺栓疲勞損傷的相控陣超聲檢測進(jìn)行深入研究。

針對鋼結(jié)構(gòu)橋梁普遍采用的M30高強(qiáng)螺栓，設(shè)計制作了含有內(nèi)部人工刻槽的試樣以模擬疲勞損傷，并對其進(jìn)行了相控陣超聲檢測，對比分析了檢測端面、損傷程度和損傷位置對識別結(jié)果的影響，驗證了相控陣超聲對鋼結(jié)構(gòu)橋梁高強(qiáng)螺栓疲勞損傷檢測的有效性，為鋼橋高強(qiáng)螺栓疲勞損傷的原位檢測提供了新方法和途徑。

1 高強(qiáng)螺栓的相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲探頭由許多獨立的陣元構(gòu)成，每個陣元可以單獨發(fā)射和接收信號，并按照一定時序激發(fā)超聲脈沖信號，通過控制陣元激發(fā)的時間延遲改變各個陣元聲波的相位關(guān)系，調(diào)整聚焦點和聲束方位，可實現(xiàn)相控陣的波束合成和成像掃描[11]。

采用相控陣超聲對螺栓進(jìn)行檢測，當(dāng)螺栓無損傷時，螺紋信號穩(wěn)定清晰，間隔均勻，沿深度方向能量逐漸降低，圖像顏色也隨之變淺，螺桿回波幅度較低，無明顯顯示；當(dāng)螺栓有損傷時，原均勻的螺紋信號間出現(xiàn)異常信號，掃描圖像中存在顏色突變，A掃圖中損傷位置處的回波信號陡然凸起，可進(jìn)行反射波位置與波幅的定量分析。高強(qiáng)度螺栓的相控陣超聲檢測原理如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)螺栓的相控陣超聲檢測原理示意

2 試驗方案

2.1 試件制作

采用10.9S級M30高強(qiáng)螺栓進(jìn)行試驗，高強(qiáng)螺栓技術(shù)性能符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1231-2006 《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》 的要求，螺栓長度為120 mm，螺桿直徑為30.5 mm，螺栓材料為35B，服役期間高強(qiáng)螺栓的疲勞損傷多發(fā)生在螺母內(nèi)側(cè)螺紋、螺紋和螺桿交界面、螺桿中段和螺帽內(nèi)側(cè)等位置，因此，筆者在高強(qiáng)螺栓夾持長度內(nèi)易發(fā)損傷位置采用人工刻槽來模擬裂紋。螺栓試樣尺寸與損傷位置如圖2所示，其人工刻槽垂直于螺栓軸線，開口寬度為0.2 mm；螺栓施擰完成后通常外露3～4絲，L-a為螺母內(nèi)側(cè)螺紋位置，L-b為螺紋和螺桿交界面，L-c為螺桿中間位置，L-d為螺帽內(nèi)側(cè)。

圖2 螺栓試樣尺寸與損傷位置示意

高強(qiáng)螺栓截面損傷達(dá)到螺桿直徑的1/4左右會發(fā)生快速斷裂，刻槽深度分別設(shè)置為0.5，1.0，3.0，5.0，7.0 mm，根據(jù)損傷程度和位置制定了9組測試工況，高強(qiáng)螺栓試樣各測試工況參數(shù)如表1所示。S1S4工況分析損傷位置的影響，S5工況分析多損傷位置的檢測有效性，S6S9工況以損傷發(fā)生概率最高的L-b位置為研究對象，分析損傷程度的影響。

表1 高強(qiáng)螺栓試樣各測試工況參數(shù)

2.2 設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

選用OLYMPUS OMNISCAN SX型相控陣檢測儀和OLYMPUS 4L16-A24型16陣元一維線性陣列探頭進(jìn)行檢測。探頭參數(shù)為：探頭頻率為4 MHz；陣元間距為1.0 mm；激發(fā)孔徑為16 mm。探頭放置于在螺栓端面，采用縱波扇掃檢測。檢測參數(shù)設(shè)置為：激發(fā)陣元數(shù)量為16；扇掃角度為-45°～45°，以盡可能擴(kuò)大扇掃區(qū)域，識別近螺帽區(qū)域損傷；角度步進(jìn)為0.5°；增益為29 dB。相控陣超聲檢測設(shè)備外觀如圖3所示。

圖3 相控陣超聲檢測設(shè)備外觀

2.3 檢測方式

將相控陣探頭置于端面中心，采用扇形掃查模式對待檢螺栓進(jìn)行縱波端面檢測。由于探頭晶片為一維線性排列，檢測時需對探頭進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對螺栓斷面的全覆蓋檢測，A掃圖中損傷回波幅度最大時即為人工刻槽的所在斷面。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 檢測端面影響

高強(qiáng)螺栓內(nèi)部裂紋多位于夾持長度(L-a與L-d)之間，選取工況S5進(jìn)行檢測，以驗證相控陣超聲對不同位置損傷的適用性，對比檢測端面選擇對檢測結(jié)果的影響。分別在高強(qiáng)螺栓兩端面設(shè)置探頭，檢測路徑Path-A為由A端面(螺帽端)向B端面(螺栓尾端)掃查，路徑Path-B與其相反，其超聲檢測路徑示意如圖4所示。

圖4 高強(qiáng)螺栓相控陣超聲檢測路徑示意

S5工況不同檢測路徑獲取的扇掃圖像如圖5所示?？梢钥闯?，探頭放置于螺栓A端面進(jìn)行檢測時，檢測圖像中底面回波顯著，出現(xiàn)缺陷誤判，L-d位置的刻槽損傷距探頭較近，受到掃查角度限制和端部聲波覆蓋影響，無法檢出該位置損傷;探頭放置于螺栓B端面進(jìn)行檢測時，可準(zhǔn)確檢測出L-a與L-d位置的刻槽損傷，刻槽損傷位置的圖像顏色與螺紋有明顯區(qū)分。因此，通過對兩端面檢測結(jié)果的對比，可知檢測路徑Path-B的效果優(yōu)于路徑Path-A的，其能夠有效減少疲高強(qiáng)勞損傷漏檢和誤判的發(fā)生。

圖5 S5工況下不同檢測路徑時的扇掃圖像

3.2 損傷位置對檢測的影響

在檢測工況S1～S4下沿Path-B進(jìn)行掃查，分析相控陣超聲對不同位置損傷的識別與定位精度，S1～S4工況下的扇掃圖像如圖6所示?？梢钥闯?，扇掃圖像中能清晰顯示損傷的信號突變，可對不同位置的損傷進(jìn)行準(zhǔn)確識別。但螺紋信號強(qiáng)度較高，存在螺紋區(qū)域損傷誤判的可能，這可通過制作含損傷的標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行測試，對比螺紋和損傷成像結(jié)果，制定檢測工藝，來降低螺紋區(qū)域回波強(qiáng)度，提高損傷識別的靈敏度和分辨率。

圖6 S1～S4工況下的扇掃圖像

螺栓損傷不同位置的損傷識別定位誤差如表2所示，可見，相同增益水平下，隨著損傷位置距檢測面距離增加，損傷定位相對誤差減小，定位相對誤差在7%以內(nèi)，表明相控陣超聲能夠準(zhǔn)確定位高強(qiáng)螺栓疲勞損傷的位置。Path-B路徑回波幅度與信噪比隨損傷位置的變化關(guān)系如圖7所示。由圖7可以看出，聲束內(nèi)部傳播過程中聲能減少，回波幅度隨距離增加逐漸降低；由于螺紋回波逐漸降低，遠(yuǎn)低于人工刻槽的反射回波，信噪比隨損傷位置距檢測面的距離增加逐漸升高，對于發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離損傷十分有利，即隨著損傷位置距離增加損傷定位誤差逐漸減小。沿Path-B進(jìn)行掃查不僅提高了遠(yuǎn)端損傷的檢測精度，對L-a處的近端損傷也能準(zhǔn)確識別，表明Path-B檢測路徑在損傷識別范圍和定位精度方面均優(yōu)于Path-A檢測路徑。

圖7 Path-B路徑回波幅度與信噪比隨損傷位置的變化關(guān)系

表2 高強(qiáng)螺栓損傷不同位置的損傷識別定位誤差

3.3 損傷程度對檢測的影響

高強(qiáng)螺栓光桿與螺紋過渡段截面削弱，是裂紋損傷發(fā)生概率最高的位置。選取工況S6S9,沿Path-B進(jìn)行掃查，分析損傷的圖像特征，研究損傷程度對相控陣超聲檢測的影響，S6～S9工況下的扇掃圖像如圖8所示?？梢钥闯?，隨著刻槽深度的增大，圖像中損傷的突變越來越明顯，工況S7S9的扇掃圖像清晰地顯示損傷的存在，S6工況未能識別出損傷，表明相控陣超聲能夠?qū)? mm深度以上的損傷進(jìn)行有效識別，對小于1 mm深度的損傷無法識別。Path-B路徑回波幅度與信噪比隨損傷程度變化關(guān)系如圖9所示，可以看出，隨著損傷程度增大，回波幅度及信噪比也隨之增大，可利用回波幅度與損傷程度的正相關(guān)關(guān)系進(jìn)行損傷程度定量識別。

圖8 S6～S9工況下的扇掃圖像

圖9 Path-B路徑回波幅度與信噪比隨損傷程度變化關(guān)系

4 結(jié)論

通過對鋼橋普遍使用的M30高強(qiáng)螺栓的模擬疲勞損傷裂紋進(jìn)行識別，驗證了相控陣超聲檢測的有效性，并對比分析了檢測端面、損傷程度和損傷位置對識別結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論。

(1) 螺栓尾端作為檢測面能有效減少損傷漏檢和誤檢，檢測精度高于螺帽端作為檢測面的情況，高強(qiáng)螺栓相控陣超聲疲勞損傷識別應(yīng)盡量選擇兩端面檢測，條件允許時應(yīng)優(yōu)先選擇螺栓尾端檢測。

(2) 相控陣超聲能夠?qū)Σ煌恢玫膿p傷進(jìn)行準(zhǔn)確識別和定位，定位相對誤差在7%以內(nèi)。隨著缺陷深度增加，回波幅度逐漸降低，信噪比逐漸升高，損傷定位誤差逐漸減小。

(3) 相控陣超聲對大于1 mm深的人工刻槽損傷具有良好的檢測精度，對小于1 mm深度的損傷無法識別，損傷程度與回波幅度呈正相關(guān)關(guān)系，可對損傷程度進(jìn)行定量識別。