螺栓广泛应用于大型压缩机机组重要机械部件的连接，其质量关系到整个压缩机组的运行安全。螺栓承受的载荷与所处的工况非常复杂，受复杂应力、腐蚀、温度等作用，其螺纹的连接部位易产生疲劳裂纹使螺栓断裂或失效。在压缩机设备使用过程中，螺栓一旦发生断裂会造成生产中断导致停工，因此车间需要根据生产计划任务，按照计划定期对螺栓实施检测。

以往对在役螺栓进行检测时，通常将螺栓先拆卸下来再进行荧光磁粉检测。这种方式工作量大，检测时间较长，检测效率较低，并且影响生产运行。为解决这一难题，在不拆卸螺栓的前提下，检测人员采用相控阵超声检测技术对螺栓螺纹部位产生的疲劳裂纹进行检测，取得了较好的效果。

常规超声检测

螺栓是细长的圆柱体形状的零部件，常规超声检测法主要采用纵波直探头对其进行检测，优点是可有效发现1 mm以上槽深当量的裂纹缺陷，缺点如下：

(1) A扫描波形形状复杂，判别比较困难，尤其是干扰波形主要来自于螺栓本体结构或螺纹齿面，无法对其进行有效区分和识别，给检测工作带来一定的困难。

(2) 螺栓两头的螺纹部位容易产生疲劳裂纹，但纵波直探头扫查的角度单一，容易造成漏检，大大降低了检测的可靠性。

(3) 检测数据无法记录或缺陷无可追溯性。

(4) 检测灵敏度与信噪比较低。

相控阵超声检测

与常规超声检测技术相比，相控阵超声检测技术具有以下优势：

(1) 可以多种视图展现缺陷的检测结果，能较好地区分缺陷波和结构波，解决了螺栓检测难以识别缺陷波的问题。

(2) 能应用于复杂几何结构件的检测。

(3) 相控阵超声技术具有多角度可调聚焦声束的功能，可覆盖检测缺陷部位，提高检测灵敏度和图像的信噪比，缺陷识别能力更强。

螺栓的相控阵超声检测试验

01螺栓试样加工

选择一根在用的螺栓作为试样，参照图1在螺栓A端外表面的螺纹部位加工不同深度的刻槽，要求刻槽部位在一条线上，刻槽方向垂直于螺栓轴线方向，用以模拟裂纹。刻槽深度均为1.0 mm，长度均为10.0 mm，刻槽开口宽度均为0.25 mm，螺栓材料为35CrMoA，人工刻槽的位置参数如表1所示。

图1 螺栓刻槽尺寸示意

表1 螺栓试样人工刻槽的位置参数（mm）

02扇形扫查

采用OmniScan MX2型相控阵超声检测仪，选用32晶片5 MHz的探头，晶片间距为0.5 mm，晶片高度为10 mm，角度步进为0.5°，扇扫角度设置为-30°~+30°。

将探头放置在A，B端面上即可进行螺栓的内部检测。通过扇形扫查，在近A侧端面螺纹部位的影像中发现4处人工缺陷，如图2(a)所示。检测A端面时采用沿径向前后移动和旋转扫查的方式，图像均能清晰地显示缺陷。由此可见，探头的检测范围可覆盖整个螺纹部位。

当声束入射到无缺陷的螺栓中时，螺纹信号清晰稳定，并且间隔均匀，如图2(b)所示，随着检测距离的增加，螺纹信号的能量逐渐减弱。裂纹信号存在于螺纹信号间，其颜色与相邻两个螺纹信号的颜色存在较大差异，颜色差异程度与裂纹的波幅有关。

图2 螺栓的相控阵超声扇扫图像

03深度方向对检测图像的影响

将距螺栓A侧端面110 mm处人工刻槽的反射回波调整到满屏的80%，并以此作为基础灵敏度，增益6 dB作为扫查灵敏度。该参数可实现对螺纹部位裂纹的垂直入射，提高了缺陷波的反射率，大大提高了信噪比。

不同检测深度(聚焦深度)下螺栓的扇扫图像如图3所示，可见检测深度越大，刻槽反射的能量就越弱，信噪比随着检测深度的增加逐渐增加。分析原因为螺栓上螺纹的反射回波随着深度增加而降低，且裂纹图像与螺纹的图像对比鲜明，便于检测人员进行判别。

图3 不同检测深度下螺栓的扇扫图像

04检测位置对图像的影响

探头位置示意及螺栓的扇扫图像如图4所示。当探头放在位置1的时候，50 mm深处的人工刻槽不在探头的声束扫查范围内，因此检测图像只显示了部分缺陷。当探头放在位置2的时候，50 mm和70 mm深处的人工刻槽均在探头的声束扫查范围内。由以上分析可知，检测位置很重要，只有当探头放置在合适的位置才能覆盖所有需要检测的部位。

图4 探头位置示意及螺栓的扇扫图像

05应用

对现场拆卸下来的20根螺栓依次进行相控阵超声检测。将探头放置在螺栓的A，B端面上实施检测，首先进行初始扫查，探头沿径向前后移动的同时，也进行旋转扫查。初始扫查后可将聚焦深度设置在易出现裂纹的区域，当某个部位出现缺陷反射波时，再将聚焦深度调整于缺陷所在位置。

在某螺栓距A侧85 mm深处发现裂纹，如图5所示，缺陷图谱清晰可辨，检测效果明显。

图5 某螺栓现场相控阵超声检测图谱

结语

(1) 相控阵超声检测技术采用大角度的扫查方式，检测图像直观，便于清晰地识别缺陷。

(2) 调整好检测参数，可提升检测灵敏度和图像信噪比，对裂纹的识别率大大提高。

(3) 人工刻槽检测图像的信噪比随着检测深度的增加逐渐增加，原因为螺栓上的螺纹反射回波随着检测距离的增加而降低，且裂纹缺陷图像和螺纹图像对比鲜明。