新技术研究
今天，螺丝君向大家推荐一项新的技术：螺栓在役检测新技术。
主要介绍在常规超声和常规相控阵技术的基础上，介绍了2种对不解体状态下螺栓在役缺陷进行检测的新技术，分别是：相控阵全聚焦成像技术和相控阵导波检测技术，分析其特点和显示特征，并通过实物试验，验证了2种新技术的检测效果。
螺栓是工业结构和部件不可或缺的紧固连接件，在轨道交通行业运用非常广泛。高速行驶的列车和铁轨不断地接触，造成轨道交通装备用紧固螺栓服役状态较为恶劣，承载较大，容易形成在役缺陷，进而影响行车安全和稳定性。
因此，需要通过无损检测方式及时检测排查出已经产生在役缺陷的螺栓来防范螺栓脱落风险。
针对运行过程中产生的裂纹缺陷，虽然可以在螺栓解体后采用磁粉、渗透、涡流等表面方法进行检测，但是从检测周期、成本等因素考虑，通常需要在不解体的在役状态下检测是否产生了裂纹。
在役的状态下，螺栓能够接触到的区域十分有限，几乎只能接触到圆柱端面。对比各种无损检测方法，只有超声检测最具可行性。
01
常规超声检测及其局限
1.1 常规超声检测
不解体状态下的螺栓进行超声检测时，一般只能在螺栓的某个端面上放置探头。常规超声一般使用纵波直探头或者纵波小角度探头，显示方式是A型显示。探头发出超声信号后，每个螺纹根部都会产生声波反射。
因此，无裂纹时，超声仪器的显示屏上会出现固定间隔的螺纹反射波，如图1所示。当某个螺纹根部出现裂纹时，裂纹断面将会引起较强反射，在仪器显示屏的一定位置上出现裂纹反射波。
同时，出现裂纹的螺纹后邻近的第1个螺纹反射波会被裂纹遮挡。当裂纹较大时，后面第2、第3个螺纹反射波也将被遮挡，如图2所示。通过上述方式可以检测和判定裂纹。
图 1 无裂纹时反射波型图
图 2 有裂纹时反射波型图
采用常规超声检测时，检测效率和检测灵敏度比较低，由于超声侧壁干涉、波形转换等因素影响对显示波形的识别和判断，容易造成裂纹漏检。
1.2 常规相控阵检测
常规相控阵超声波检测技术是利用相控阵的线扫或扇扫覆盖螺栓的螺纹区域，将螺栓内部的检测结果图像化显示，从而进行裂纹检测，如图3所示。
图 3 相控阵纵波扇扫示意图
02
螺栓在役检测新技术
2.1 全聚焦(TFM)成像技术
2.1.1 全聚焦成像技术
在常规相控阵超声检测中，螺栓螺纹之间有固定信号构成的图像，与裂纹图像的特征区别不是非常明显，显示识别也比较困难。实时全聚焦成像技术(TFM)实现了对缺陷的精确成像。
全聚焦技术数据采集阶段，一般使用FMC(全矩阵捕获)。FMC是基于相控阵探头的一个数据采集过程，能生成一个数据集，是相控阵探头通过每个晶片发射信号，同时其他所有晶片接收信号而获得的A扫描的集合。
如图4所示，FMC 具体实现方式如下：
第1步，第1个晶片激发超声信号，其他晶片不激发；
第2步，所有晶片同时接收返回的超声信号；
第3步，存储接收到的所有通道的A扫原始信号，并形成第1个数据组；
第4和第5步，第2个晶片激发脉冲信号，所有晶片接收，并存储数据，形成第2个数据组；
第6步，重复以上步骤，探头中的晶片全部依次激发，并被所有晶片接收以后，形成一个数据矩阵。
图 4 全矩阵捕获的实现方式
全聚焦成像技术(TFM)是用来处理FMC数据集的后处理算法。TFM技术将检测关注区域划分为网格，然后通过一系列数据处理以后，确定需要填充到该网格的色块，在把所有色块全部填充完毕以后即形成了全聚焦图像。
为了准确地解读FMC数据，需要为TFM算法输入一些关键变量，如：声波传播模式和分辨率，以将数据分为不同的声波组。
TFM声波组代表超声波传播的路径：从发射器到TFM区域中的一个图像像素，再返回到接收器(包含多次反射),每段直线声程由其声波类型定义：横波(T)或纵波(L)。
例如，TTT声波组是一种脉冲横波，这种声波在到达接收晶片之前已经以横波模式反射了两次。经过处理后，得到了分辨率更高的精确图像，如图5所示。
图 5 TFM 检测技术与普通相控阵的成像对比
2.1.2 检测试验
汕头超声曾采用CTS-PA322T仪器对螺栓人工裂纹和自然裂纹缺陷进行了检测试验，形成了用3D全聚焦技术检测图像显示，见图6。
图 6 螺栓的3D全聚焦技术检测显示
2.2 相控阵导波检测
2.2.1 相控阵导波
无论是常规超声检测还是相控阵检测，都需要转动探头，可能导致耦合效果的不稳定。另外，也无法对一些端面形状特征特殊的螺栓进行检测，例如端面为内六角孔的螺栓。
这种情况下，可以采用周向阵列相控阵检测技术。将多个小尺寸的条形压电晶片按圆环排列，各个晶片的发射和接收相位延时，信号相干叠加，合成指向圆柱面的声束波阵面；纵波在圆柱面掠入射角，产生波形转换和汇聚，实现相控阵导波检测，见图7。
图 7 环阵列探头和声波入射
导波具有频散性和多模态特征，在厚度方向有界的导体中传播时，声波在边界上产生来回反射并沿平行板面的方向行进，同时伴有复杂的波型转换，因此具有传播距离远、检测灵敏度高等优点。圆柱体中导波的仿真模拟见图8。
图 8 圆柱体中导波的仿真模拟
2.2.2 检测试验
在某规格螺栓的螺纹和螺杆(靠近头部)上分别刻深度0.5 mm人工刻槽缺陷，如图9所示。
图 9 螺栓人工裂纹
采用武汉中科创新的HSPA20相控阵检测仪，根据检测螺栓的直径和长度设计、定制专用环阵列相控阵探头进行试验，显示图像见图10,对0.5mm的人工缺陷有比较高的信噪比，检测效果良好。
03
螺丝君经验结论
本文通过对不解体状态下螺栓在役缺陷的 2 种无损检测新技术，相控阵全聚焦成像技术和相控阵导波检测技术，进行了介绍和对比分析，并通过试验介绍验证了这 2 种技术的检测效果和显示特点。
针对这 2 种新技术对不解体螺栓的在役检测，得到了如下结论：
1) 全聚焦成像技术和相控阵导波技术是基于常规超声检测和常规相控阵检测而发展起来的新型检测技术，是超声及相控阵的新技术延伸。
2) 全聚焦成像需要全矩阵捕获方式的数据采集，并经过信号分析和处理，得到分辨率更高、更清晰的缺陷图像显示。
3) 相控阵导波检测效率高，检测灵敏度高，能检测长度更长、距离更远的在役缺陷。
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