螺栓相控阵超声检测技术方案

Sun, 23 Aug 2026 23:17:39 +0800

螺栓相控阵超声检测技术方案

螺栓是风电、电力、桥梁、轨道交通、航空等领域的核心紧固件，长期承受拉应力、交变载荷与温度作用，易萌生疲劳裂纹并导致断裂失效。传统磁粉、渗透只能查表面，常规单晶超声依赖人工判读、覆盖率低。相控阵超声检测（PAUT）凭借电子偏转、动态聚焦与可视化成像能力，可在不拆卸螺栓的条件下实现全体积扫查和裂纹精确定量，已成为在役螺栓检测的主流方案。本方案系统给出检测对象、设备配置、工艺参数、扫查方式、评定验收及现场实施要点。

1. 适用范围与检测对象

11. 参考资料

一、适用范围与检测对象

1.1 螺栓规格与材质

项目	适用范围
直径规格	M10～M100以上；相控阵规程通常要求 ≥M32（DB37/T 4361-2021）；风电主流为 M36～M64
长度	数十毫米至数米；L>500mm 长螺栓需采用低频/导波补偿衰减
材质	碳钢、合金钢（35CrMo、42CrMo等）、不锈钢、高温合金、钛合金
类型	外六角、内六角、双头螺柱、空心螺栓、异形/曲面螺栓

1.2 重点检测部位（缺陷高发区）

部位	缺陷类型	成因
螺纹根部（啮合面附近1～3道牙）	疲劳裂纹（最高发）	应力集中 + 交变载荷
头杆过渡圆角（R区）	疲劳裂纹、锻造折叠	应力集中、加工缺陷
螺栓杆部	轴向/周向裂纹、夹杂、白点	冶金缺陷、疲劳
中心孔内壁（空心螺栓）	内壁裂纹、腐蚀	应力腐蚀、氢致裂纹
螺母支承面对应杆段	微动疲劳裂纹	微动磨损诱发

1.3 典型应用场景

l 风电：塔筒螺栓、叶片螺栓（内外圈）、偏航螺栓、主轴连接螺栓、地脚螺栓——在役不拆卸全检

l 电力：汽轮机/发电机高温螺栓、锅炉紧固螺栓、法兰螺栓

l 桥梁：高强螺栓连接副

l 轨道交通：车轮轴螺栓、转向架螺栓、轨道凹面紧固件

l 航空航天：发动机特种螺栓、空心螺栓

l 检测时机：制造出厂检验、安装前抽检、在役定期检测、维修后复检

二、检测原理与技术路线

2.1 核心原理

相控阵探头由16～128个独立晶片组成，通过电子控制各阵元激发延迟时间（聚焦法则），实现：

l 声束偏转（±45°）：从端面一次入射即可覆盖螺纹区不同深度的裂纹

l 动态聚焦：焦点随检测深度自动调整，全深度保持高灵敏度

l 扇形扫描（S扫）：0°～70°多角度一次成像，区分裂纹回波与螺纹结构回波

l 3D全聚焦（TFM）：全矩阵捕获后逐点聚焦重构，100万聚焦点，一根螺栓成像<2秒，360°旋转观察

为什么相控阵优于常规UT：

对比维度	常规单晶UT	相控阵PAUT	3D TFM
成像方式	A扫波形人工判读	S/B/C扫二维图像	3D/4D实时体积图像
螺纹波区分	难（依赖经验）	多角度成像直观区分	空间成像彻底区分
覆盖效率	需多探头多角度	单探头扇扫覆盖	无需移动探头全覆盖
裂纹定量	当量估读	长度+高度测量	三维定位+深度定量
数据记录	无/有限	全数据可记录	全数据+旋转回放
检测速度	慢	快	单根<2秒

2.2 声束覆盖设计（端面入射法）

                 螺栓端面（检测面）
    ┌────────────┬────────────┬────────────┐
    │ 探头位置A   │ 探头居中   │ 探头位置B │
    └─────┬──────┴──────┬─────┴─────┬──────┘
          │扇形声束      │0°纵波      │扇形声束
          ▼             ▼           ▼
    ╔══════════════════════════════════════╗
    ║ 螺栓杆部（0°直声束检测本体缺陷）        ║
    ║    ↘偏转声束斜射螺纹根部（斜声束对裂纹敏感）║
    ║                                      ║
    ║ 螺纹区 ← 斜射纵波/横波检出牙根周向裂纹 ║
    ╚══════════════════════════════════════╝

关键声学设计：

l 0°纵波：检测杆部轴线区域缺陷 + 底波监测（衰减/疲劳指示）

l 小角度纵波（折射15°～25°）：声束轴线对准螺纹牙根，对周向裂纹检测灵敏度优于直探头

l 横波扇扫（折射35°～70°，钢中）：斜射检出不同取向的裂纹，通过端面周向偏置探头实现全周向覆盖

三、设备与器材配置

3.1 仪器主机

配置项	推荐要求	说明
通道数	16:64 起步；32:128 推荐	通道越多聚焦越灵活
频率范围	0.5～20MHz	覆盖2～10MHz检测需求
脉冲电压	≥100Vpp	长螺栓需高电压补偿衰减
采样频率	≥100MHz	保证时间分辨率
A/D分辨率	≥12bit	动态范围保证
成像模式	A/S/B/C + TFM（推荐）	TFM可彻底解决螺纹波干扰
防护等级	IP54以上（现场）	风电塔筒、户外环境
参考机型	汕头超声CTS-PA322T/PA32BM、多浦乐PHASCAN、Evident OmniScan X3/X4	均有螺栓专用方案

3.2 探头配置（按螺栓类型选择）

探头类型	规格	适用对象	特点
线阵探头	5～10MHz，16～64阵元	外六角螺栓、法兰螺栓端面	通用性强，需扇扫+旋转180°全覆盖
菊花阵列探头（环形阵）	5MHz，环形布阵	六角/双头螺柱端面	无需旋转即可周向全覆盖，效率高；裂深定量稍弱
面阵（2D矩阵）探头	5～10MHz	平面端面螺栓	大面积高速扫查，3D成像
凹面自适应专用探头	定制	曲面/凹面端面螺栓（轨道等）	贴合曲面，无需旋转
内六角专用探头	定制小型阵	内六角螺栓/双头螺柱	伸入内六角孔端面检测
双晶线阵（TRL）	5～7.5MHz	近表面检测	消除端面下0～5mm盲区

频率选择原则：

螺栓规格/状态	推荐频率	理由
M32以下小直径	7.5～10MHz	高分辨，牙根裂纹定位准
M36～M64风电主力	5MHz	穿透与分辨率平衡
长螺栓（L>500mm）	2.25～5MHz	补偿衰减
高温合金/粗晶材料	2～5MHz	降低散射噪声

3.3 楔块与耦合

l 楔块角度：0°（直射纵波）+ 小角度纵波楔块（折射15°～25°，常用有机玻璃）；斜探头楔块按横波折射角35°/45°/55°/60°配置

l 耦合剂：端面光洁时用普通耦合剂；粗糙面或竖直端面用甘油/黄油等高黏度耦合剂；检测后及时清除防腐蚀

l 表面要求：Ra≤6.3μm，清除油漆、锈蚀、油污；钢印/加工不平处需打磨

3.4 试块

试块类型	用途	制作要求
螺栓专用对比试块	灵敏度校准 + 裂纹定量基准	与被检螺栓同材质、同热处理、同规格；螺纹区加工0.5～2mm深人工刻槽（模拟牙根裂纹）；杆部加工φ1.5～2mm平底孔
通用校准试块（CSK-IA/IIW）	声速、延迟、定位校准	市售标准试块
系统性能试块	阵元有效性核查	按规程附录定期测试

四、检测工艺与参数设置

4.1 检测前准备

1. 信息收集：螺栓规格、材质、热处理状态、拧紧力矩、服役时长、历史检测数据

2. 表面处理：端面清理打磨至Ra≤6.3μm

3. 系统预热与自检：仪器开机≥10分钟，执行阵元灵敏度差异测试（要求阵元间差异在允许范围内）

4. 试块校准：声速（钢纵波5940m/s）、楔块延迟、聚焦法则验证

4.2 聚焦法则设计

参数	设置建议	说明
扫描模式	扇扫（S扫）为主 + 线扫辅助	扇扫一次覆盖多角度
角度范围	纵波：0°；斜射：折射角按螺纹深度计算，覆盖第一啮合牙～第三牙	对准应力集中区
聚焦深度	螺纹区中心深度 ± 调整	焦点落在裂纹高发区
角度步进	1°～2°	兼顾成像密度与速度
检测范围	螺纹全长 + 50mm（如螺纹长90mm → 深度范围140mm）	保证全覆盖

4.3 灵敏度设定

以 DL/T 694 及行业通行做法为基准：

1. 基准灵敏度：对比试块 φ2mm 平底孔回波 → 调至屏幕高度 80%，锁定增益

2. 螺纹区拒收灵敏度：用试块上人工刻槽（模拟裂纹）回波设定拒收线

3. 底波监控：完好区底波（B波）调至80%；底波下降 ≥20%（约-2dB）时标记为异常区域（衰减型疲劳损伤指示）

4.4 扫查速度与耦合压力

l 手动扫查速度 ≤50mm/s，保持耦合稳定

l 探头静置检测（菊花阵/TFM模式）时确保与端面完全贴合

l 周向扫查时探头绕端面中心旋转，覆盖360°

五、扫查方式与成像判读

5.1 三种主流扫查方案

方案	探头	操作	效率	适用
方案A：线阵扇扫	线阵探头	探头置于端面，S扫成像；旋转180°补扫	中	外六角、大端面螺栓
方案B：菊花阵周向	环形阵列探头	静置端面一次激发，360°周向覆盖	高	六角/双头螺柱批量检测
方案C：3D TFM全聚焦	专用阵列探头	静置端面，实时3D体积成像，可旋转观察	最高（<2秒/根）	风电全检、复杂结构

5.2 成像判读要点

正常信号序列：始波 → 杆部传输（无杂波）→ 底波清晰稳定

缺陷指示特征：

成像特征	判读结论
S扫某角度扇形区内出现稳定弧状/线状回波，深度对应螺纹区	牙根裂纹（重点确认）
3D TFM图像中螺纹连续螺旋线上出现"断点凸起"	裂纹（空间位置与螺纹走向区分明确）
底波下降≥20%且无明确缺陷波	材料衰减异常/疲劳损伤/晶间腐蚀
杆部任意深度点状回波	夹杂/气孔（按当量评定）
头部R区角度回波	过渡圆角裂纹

关键：区分螺纹结构波与裂纹波

l 螺纹波：沿螺纹螺旋规律等间距排列、角度分布对称、幅度均匀

l 裂纹波：打破等间距规律、特定角度幅度异常增强、TFM空间成像中偏离螺纹连续面

5.3 数据记录

l 全数据（A/S/B/C原始数据）保存，支持离线回放与趋势比对

l 每根螺栓建立档案：规格/位置编号/检测参数/图像/评定结论

l 在役检测建议与历次数据比对，观察缺陷扩展趋势

六、灵敏度校准与系统核查

6.1 校准项目清单

项目	周期	方法	依据
仪器自检	每次开机	内置自检程序	ISO 22232
探头阵元有效性	每次检测前	阵元灵敏度差异测试（附录B方法）	DB37/T 4361-2021
声速/延迟校准	每次检测前	CSK-IA/IIW试块	通用
灵敏度校准	每次检测前/4h内	专用试块φ2mm平底孔80%	DL/T 694
系统定位核查	每次检测前	附录C定位测试	DB37/T 4361-2021
整机计量校准	12个月	送计量机构	JJF 1731（C扫描系统）
试块检定	12～24个月	尺寸+声学复验	JJF 1487-2014

6.2 现场期间核查

l 每检测50根或每2小时，用试块复核灵敏度漂移（超过±2dB需重新校准）

l 更换探头/楔块/耦合剂批次后必须重新校准

l 检测结束前再复核一次，形成闭环

七、缺陷评定与验收标准

7.1 缺陷分类评定

缺陷类型	评定参数	方法
裂纹（含疲劳/应力腐蚀/氢致）	深度、长度、周向位置	TFM三维定量或角度-深度成像测量
夹杂/气孔	平底孔当量φ值	波幅当量法
白点/内部裂纹	当量+分布面积	当量法+区域统计
衰减异常	底波下降百分比	底波对比法

7.2 验收标准（综合 DL/T 694、电力行业及通行实践）

缺陷性质	拒收界限
裂纹类缺陷	任何可确认的裂纹均判不合格（一经检出即更换，不分等级）
杆部轴向/周向裂纹	深度≥0.5mm 或长度≥10mm → 不合格
螺纹牙根裂纹	深度≥0.3mm → 不合格（严于杆部）
夹杂/气孔	≥φ2mm平底孔当量，或密集分布 → 不合格
底波异常	完好区底波下降≥20%且无法用几何解释 → 标记+复检

注：风电、核电、航空等高安全领域通常执行"发现裂纹即更换"原则；一般工业可按合同约定分级验收。DB37/T 4361-2021 要求检测区域覆盖螺栓全体积，重点覆盖接合面附近1～3道螺纹根部及中心孔区域。

7.3 不确定缺陷处理

1. 换角度/换探头复检

2. 对侧端面（可达时）验证

3. 3D TFM旋转观察空间位置

4. 仍无法定性时按疑似裂纹处理（保守原则），建议拆检或更换

八、现场实施要点与常见问题

8.1 现场实施清单

阶段	要点
准备	螺栓台账核对、端面打磨、试块校准、聚焦法则导入
检测	编号对应、逐根采集、实时观察成像、异常即时标记复检
收尾	耦合剂清除、防锈处理、数据备份、灵敏度复核
报告	螺栓信息+检测条件+缺陷定量图+评定结论+更换建议

8.2 常见问题与对策

问题	原因	对策
螺纹干扰波误判	螺纹结构反射	小角度声束避开直射螺纹面；S扫多角度区分；TFM空间成像彻底解决
端面耦合不良	端面不平、锈蚀	打磨至Ra≤6.3；用甘油/黄油高黏度耦合剂
长螺栓衰减大	声程长、散射	降至2.25～5MHz；提高脉冲电压与增益
端面下近区盲区	始波占据	双晶（TRL）探头；或从对侧端面补检
内六角/双头螺柱端面小	可用检测面不足	内六角专用小型探头；菊花阵探头
空心螺栓穿透不足	中空结构声路复杂	中心孔内探头；或专用环形阵+TFM
粗晶/高温合金噪声	材料散射	降频+聚焦+平均滤波
高空作业（风电塔筒）	现场条件苛刻	便携IP54以上设备；平板集成预紧力监测一体化

8.3 与预紧力监测联动（增值方案）

风电等场景可将缺陷检测与电磁超声预紧力测量（如汕头超声CTS-1200BM双波法，测量误差1～3%，单根<10秒）集成于同一平板终端：

l 缺陷检测（PAUT/TFM）→ 结构完整性

l 预紧力测量 → 轴力状态与松弛趋势

l 两者结合形成"完整性 + 紧固状态"双重健康档案，支撑延寿评估

九、检测流程图

┌────────────┐   ┌────────────┐   ┌────────────┐   ┌────────────┐
│ ① 螺栓台账 │→ │ ② 端面处理 │→ │ ③ 系统校准 │→ │ ④ 灵敏度设定 │
│ 规格材质    │   │ 打磨Ra≤6.3 │   │ 声速/延迟/ │   │ φ2mm FBH   │
│ 服役信息    │   │ 清洁耦合面 │   │ 阵元核查    │   │ 80%+刻槽   │
└────────────┘   └────────────┘   └────────────┘   └──────┬─────┘
                                                          ↓
┌────────────┐   ┌────────────┐   ┌────────────┐   ┌────────────┐
│ ⑧ 评定报告 │← │ ⑦ 缺陷定量 │← │ ⑥ 成像判读 │← │ ⑤ 逐根扫查 │
│ 验收/更换   │   │ 深度/长度/ │   │ 区分螺纹波 │   │ 扇扫/菊花阵 │
│ 数据归档    │   │ 当量       │   │ /裂纹特征 │   │ /3D TFM    │
└──────┬─────┘   └────────────┘   └────────────┘   └────────────┘
       ↓ 疑难缺陷
┌────────────┐
│ ⑨ 复检处置 │
│ 换角度/对侧 │
│ /拆检更换   │
└────────────┘

十、方案对比与选型建议

10.1 三种配置方案总览

维度	基础方案	标准方案（推荐）	旗舰方案
仪器	16:64便携PAUT	32:128便携PAUT	32:128 TFM 3D成像仪
探头	线阵5MHz×2	线阵+菊花阵5MHz	专用面阵/菊花阵+凹面适配
成像	S扫/B扫	S/B/C扫	S/B/C + 3D/4D TFM（100万点，100fps）
效率	~1分钟/根	~10秒/根	<2秒/根
螺纹波处理	靠判读经验	多角度区分	空间成像自动区分
适用	抽检/小批量	在役定期检测	风电全检/疑难定量
设备投入参考	20～35万元	30～60万元	40～80万元
代表机型	通用国产便携	汕头CTS-PA322T等	汕头CTS-PA32BM、OmniScan X4

10.2 选型决策要点

1. 批量全检（风电场级别） → 旗舰3D TFM方案，效率与记录性优先

2. 定期抽检/电力检修 → 标准方案，性价比均衡

3. 复杂结构（内六角/曲面/空心） → 定制专用探头，必须先做工艺验证试验

4. 预算有限起步 → 基础方案 + 严格的人员培训（判读依赖度高）

5. 任何方案上线前，用含已知人工缺陷（刻槽/平底孔）的同规格试件做检出率验证

十一、参考资料

1. DB37/T 4361-2021《螺栓相控阵超声检测技术规程》，山东省市场监督管理局，2021（适用于直径≥32mm紧固件螺栓）

2. DL/T 694《高温紧固螺栓超声波检测》（电力行业，裂纹≥0.5mm深/10mm长判废依据）

3. GB/T 5777、T/CSTM 00212（相控阵相关通用/团体标准）

4. NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测第3部分：超声检测》（锻件质量分级Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ级）

5. JJF 1731-2018《超声C扫描设备校准规范》；JJF 1487-2014《超声波探伤试块校准规范》

6. ISO 22232系列（超声检测系统性能验证）

7. 宋逵等，《在役螺栓的相控阵检测工艺》，《无损检测》2019, 41(12): 21-24

8. 汕头超声，《风电螺栓检测》（CTS-PA322T应用案例：M28×240变桨轴承螺栓现场检出5根裂纹螺栓）及《螺栓健康监测检测一体化解决方案》，2023/2025

9. 汕头超声 CTS-PA32BM 相控阵全聚焦3D实时成像检测仪产品资料（TFM 100fps、100万聚焦点，符合T/CASEI 046-2024）

10. Evident/OmniScan X3/X4、多浦乐PHASCAN系列产品资料

编制日期：2026年8月23日声明：本方案基于公开技术文献、标准草案与厂商公开应用资料整理，具体工程实施应以最新有效版本标准原文为准，并由持证（ISO 9712 UT/PA II级及以上）人员执行。验收界限数值引自对应行业标准，不同行业合同另有约定时从其约定。

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螺栓相控阵超声检测技术方案

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