吕 伟 刘鑫龙 韩志雄0 概述架梁设备属于起重机特种设备，包括架桥机、运梁车、搬运机、提梁机等，主要工作是将预制混凝土箱梁从梁场运送并架设到预制好的高铁桥墩上，具有工况条件苛刻、承重大、负荷高等特点。机械承重结构和承重单元容易在反复运行和交变负载情况下，衍生出危害设备安全运行的裂纹类缺陷，导致架桥机械倾覆、垮塌等事故发生，为确保设备的安全运行，需要定期对架桥机的吊杆、吊杆螺母及各支腿升降插销、提梁机和搬运机的吊杆、重要销轴、梁焊缝等部位进行超声波无损检测，及时发现并排除危害性缺陷，排除安全隐患，确保设备安全施工。随着高铁建设和公路建设要求的提高，架梁设备的规格和承载越来越大，对检测的要求也更加严格，而常规A 型超声由于其声束扩散、近场盲区及角度单一等问题，造成吊杆、插销等架梁设备中承载元件缺陷的误判或漏判风险日益增加。为提升架梁设备的检测效率，寻找精度更高、更可靠的检测方法变得尤为重要。近年来，超声波相控阵检测技术因其具备自动声束偏转、自动聚焦、多维成像等诸多优势，为业界所推崇，广泛应用于电力、石油石化、机械、船舶、航空航天、特种设备、冶金等行业设备的缺陷检测中。我公司也引进了超声波相控阵检测设备，并利用相控阵得的技术对架梁设备进行了检测试验研究、并开展了现场工程验证应用，取得了较好的现场应用效果。1 相控阵检测技术1.1 相控阵技术原理超声波相控阵是近些年来在无损检测领域发展起来的新型检测技术，其基本原理来源于雷达技术。在相控阵雷达技术中，由多个子天线按照一定空间形状组合，各自按照规定的延时和幅度发射电磁波，得到一定空间范围内灵活聚焦扫描的雷达波束。20 世纪60 年代Brand Field 最早提出将相控阵概念引入无损检测领域。相控阵探头由多个相互独立的压电晶片组成，各压电晶片在空间上按一定方式排列组成一个阵列，每个晶片称为一个阵元。一般是从一块较大的压电材料母片上刻蚀出细小沟槽，形成多个独立的阵元（见图1），每个阵元可单独控制收发延迟。超声相控阵探头是基于Huygens 原理进行设计。图1 相控阵探头阵列相控阵技术是利用波动物理学的相位调整原理，即通过对阵列探头的不同单元在发射或接收声波时施加不同的时间延迟( 发射电压幅度) 规则——聚焦法则，使阵列中的每个晶片生成的单个波前交汇在一起（见图2），以可预见的方式加强或减弱声波的能量，从而使声波有效实现检测声束的偏转、聚焦、和移动等功能的超声成像检测技术（见图3）。图2 波束合成图3 声束的偏转、聚焦、移动1.2 相控阵技术优势1）采用电子方法控制声束聚焦和扫描，检测速度成倍提高。该技术的超声波束方向可自由变换；焦点可以调节甚至实现动态聚焦；探头固定不动便能实现超声波扇扫或线扫；相控阵技术可进行电子扫描，比通常的光栅扫描快一个数量等级。2）具有良好的声束可达性，能对复杂几何形 状的工件进行探查。用一个相控阵探头即可涵盖多种应用，通过建模、最佳聚焦、最佳波束角度设置，可以灵活实施各种复杂结构的成像检测（如螺栓、电熔焊、TKY、管座、车轴、汽轮机叶片等），不象普通超声探头应用单一有限。对某些检测，可接近性是“拦路虎”，而对相控阵只需用一个小小的阵列探头即可完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务。3）通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高。4）数据以电子文件格式存储，具备很强的可追溯性，操作灵活、简便且成本低。5）真实几何结构成像技术。解决复杂几何构件检测难题；实时生成几何形状图象；指出缺陷真实特征位置；成像由各声束 A 扫数据生成；实际检测结合工艺轨迹追踪；同步显示A、B、S、C、D、3D 扫描数据。2 相控阵技术在架梁设备中的试验与验证2.1 试验物品1）试验仪器 分别采用武汉中科汉威牌HS PA20型相控阵检测仪及武汉中科汉威牌HS 620 型常规超声波检测仪进行检测对比；2）探头 5M1.0×13 相控阵探头、2.5Mφ 20 常规超声探头；3）检测样件 选用架桥机吊杆1 根、并在距端头125 mm 位置锯0.5 mm 人工刻槽缺陷。2.2 检测、验证方法及内容采用声波相控阵技术、常规超声A 扫技术从吊杆端头进行缺陷检测，采用超声波相控阵技术、常规超声A 扫技术分别对同一缺陷进行5 人次盲测，并分别进行仪器设置及工件检测，最后对仪器设置及工件检测时间、结果的重复性、测量精度进行对比验证。2.3 检测设置1）相控阵设置 首先在菜单上选择需要使用的探头，再将备检吊杆的尺寸输入到仪器中，仪器自动模拟吊杆形状，最后选择调整需要检测的区域，相控阵设备自动进行声束覆盖模拟，进行纵波校准及灵敏度校准后即可开始检测。2）A 超设置 首先进行纵波校准，然后根据检测工件厚度进行灵敏度设置，即可进行探伤检测。2.4 检测结果HS 620 型超声波检测仪A扫检测结果如图4 所示，HS PA20 相控阵检测结果如图5 所示。图4 吊杆人工缺陷A 超检测结果图5 吊杆人工缺陷相控阵检测结果2.5 检测对比结果从表1 所示检测对比结果可知，相控阵检测结果更准确，常规A 超都是利用垂直入射进行计算，而在实际吊杆检测中，由于探头直径的问题，缺陷一般都是扩散声束发现，仪器不能识别，更不能进行角度换算，故测量误差偏大；相控阵检测技术由于多角度检测，可进行不同角度深度自动换算，故检测结果更准确，相控阵检测效率也更高。对比试验中，5 个试验人员A 超的调校时间普遍比相控阵调校时间短，而在缺陷寻找和判定过程中，试验人员使用相控阵时，缺陷的判定时间远比使用A 超设备要少。换言之，由于相控阵具有多角度，大大增加了超声波垂直反射的几率，又引入了模型仿真，对缺陷的判定更加容易，更便于操作，检测效率更高。3 架梁设备现场应用效果通过对吊杆试块的检测验证，相控阵技术能够较好的提高检测效率和检测精度，为验证该技术在现场的应用能力，笔者单位又对现场吊杆、3 号柱升降插销、吊杆螺母、均衡轴等架桥机构件进行了现场检测应用，并及时发现了一些危害性缺陷，取得了较好应用效果。4 总结1）相控阵技术具有声束自动位移、偏转、聚焦功能，提高了架梁设备的检测精度和检测效率；2）相控阵技术具有模型导入功能，使缺陷判定更方便，提高了缺陷检出率；3）相控阵探头采用阵列设计，一个探头可以进行几乎架梁设备上所有工件，检测工艺更加简单，现场操作更可靠；4）相控阵检测图像直观易懂，业主方能够很容易理解检测结果，减少不必要的解释和误解；5）相控阵技术还可根据需要进行全程扫描记录并存储，随时调用，为结构件的监控及寿命评估提供条件。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章生产现场如何管理机器设备、物料和能源？给你三个重点与三重境界法兰松套伸缩接头怎样避免管道推力对设备的损坏运行数字化生成设备运行曲线视图海南橡胶金联橡胶加工分公司扎实做好设施设备维修保养工作全自动点胶机设备的正确对待方式
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