在工業(yè)領(lǐng)域，螺栓被稱為“工業(yè)之米”，屬于緊固件的范疇，是應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)零件之一，在工程建筑、軌道交通、航空航天等各行各業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，而作為近十年發(fā)展迅速的風(fēng)電領(lǐng)域也對螺栓等緊固件有著嚴(yán)格的要求。
風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓主要用于重要結(jié)構(gòu)之間的連接，是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵組成部分，影響著風(fēng)電機(jī)組構(gòu)件之間的連接可靠性和整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的服役效果及壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電高強(qiáng)螺栓約占整臺機(jī)組螺栓的77%，以某3 MW風(fēng)機(jī)為例，高強(qiáng)度錨栓216支、塔筒螺栓432支、葉片螺栓336支、其他連接件約300支。
在復(fù)雜的應(yīng)力、高溫高壓、周期振動(dòng)等各種惡劣工況下工作，風(fēng)電高強(qiáng)螺栓很容易產(chǎn)生裂紋，這些裂紋一般不易被發(fā)現(xiàn)，但在裂紋發(fā)展一定程度時(shí)，就經(jīng)常會發(fā)生脆性斷裂，從而造成重大安全事故。
因此，風(fēng)電高強(qiáng)螺栓原位檢測技術(shù)研究迫在眉睫，為了確保工業(yè)安全，必須盡早發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，以便及時(shí)更換，把隱患扼殺在搖籃中。作為目前無損檢測領(lǐng)域熱度較高的超聲波技術(shù)成為了研究重點(diǎn)，該技術(shù)也逐漸向螺栓軸向應(yīng)力和疲勞裂紋的檢測應(yīng)用發(fā)展。
一、螺栓缺陷檢測技術(shù)
目前對螺栓的檢測主要包括出廠或拆卸檢測和原位檢測，其中出廠或拆卸檢測以常規(guī)無損檢測為主，輔以金相檢測分析，原位檢測即是在螺栓服役不拆卸狀態(tài)下進(jìn)行檢測，可以采用超聲檢測技術(shù)。
（一）磁粉檢測
磁粉檢測技術(shù)是一種用于檢測鐵磁體表面或近表面的微細(xì)損害的方法，利用磁粉進(jìn)行螺栓檢測時(shí)，需將螺栓進(jìn)行縱向磁化，在螺栓端面磁化，磁場將與螺紋平行，很難發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂紋。對于不允許拆卸或難拆卸的情況，此種方法難以使用。
（二）滲透檢測
滲透檢測可用于檢測結(jié)構(gòu)件表面的裂紋、氣孔、縮孔、疏松等缺陷，可應(yīng)用于檢測有色金屬的鍛件、冶金件、焊接件以及各種陶瓷、玻璃制品，適用于原材料、在制零件、成品零件和在役零件的表面質(zhì)量檢驗(yàn)。
（三）渦流檢測
載有交變直流的檢測線圈接近被檢測的導(dǎo)電試件時(shí)，表面和近表面將感應(yīng)出渦流。通過測定檢測線圈阻抗的變化，即可非破壞性地判斷出被檢件有無缺陷的信息。利用渦流對螺栓進(jìn)行無損檢測無法準(zhǔn)確有效地檢測出螺栓頭與桿結(jié)合部位以及螺紋尾部的缺陷。
（四）聲發(fā)射檢測
聲發(fā)射技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)無損檢測技術(shù)，被用作監(jiān)測材料損傷現(xiàn)象，而螺栓斷裂前必會在材料層面有顯著的聲發(fā)射現(xiàn)象。彈性波可被傳感器采集并轉(zhuǎn)換為聲發(fā)射信號，這種信號可以作為評判螺栓是否發(fā)生損傷的依據(jù)。但聲發(fā)射檢測技術(shù)對于檢測人員的數(shù)據(jù)處理能力、專業(yè)能力要求較高，運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)檢測原位螺栓無法滿足檢測的時(shí)效性要求。
（五）超聲檢測
以上四種常規(guī)無損檢測方法不適于原位螺栓檢測應(yīng)用，超聲檢測具有檢測準(zhǔn)確率高、設(shè)備簡單、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)螺栓的高效原位檢測。目前的研究熱點(diǎn)聚焦在相控陣超聲檢測技術(shù)，其檢測原理如圖1所示。
通過控制每一個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，可以達(dá)到控制波陣面的效果。若在某個(gè)位置需要一個(gè)聚焦或者偏轉(zhuǎn)的波陣面，則可根據(jù)不同陣元發(fā)射子波傳播到設(shè)定位置的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的延遲控制，便可以實(shí)現(xiàn)相控聚焦或者偏轉(zhuǎn)的功能，如圖2所示。各晶片產(chǎn)生的超聲波疊加之后合成的超聲波與單個(gè)相同面積同樣晶片產(chǎn)生的超聲波基本一致。
相控陣超聲檢測等同于同時(shí)擁有許多角度的超聲波，多種角度的探頭同時(shí)工作，具有聚焦功能，可以檢測復(fù)雜工件，缺陷顯示直觀。
全聚焦成像是一種新的相控陣成像技術(shù)，是基于全矩陣采集數(shù)據(jù)進(jìn)行的一種后處理成像算法，如圖3所示，全聚焦技術(shù)是對檢測區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行類似于相控陣技術(shù)的延遲聚焦計(jì)算，使得每個(gè)晶片都接收所有晶片的聲場回波信號，然后進(jìn)行疊加。通過全矩陣捕捉實(shí)現(xiàn)更高精度的分辨率和更高的檢測靈敏度，增強(qiáng)結(jié)果的可視化程度，使得結(jié)果顯示更直觀、更簡潔。
全聚焦相控陣技術(shù)具有圖像分辨率高、聚焦效果好、信噪比高、缺陷檢出率高、誤判率低、有效聲場覆蓋范圍寬等優(yōu)勢。
二、螺栓應(yīng)力檢測技術(shù)
螺栓預(yù)緊力的大小是評價(jià)當(dāng)前螺栓可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，螺栓在服役過程中所受到的沖擊、振動(dòng)、動(dòng)態(tài)負(fù)載及沉降、蠕變、弛豫均會引起螺栓的預(yù)緊力降低。預(yù)緊力異常不僅會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，從而造成經(jīng)濟(jì)的損失，還可能造成更嚴(yán)重的安全事故。目前，國內(nèi)外針對螺栓應(yīng)力檢測的方法主要有扭矩扳手法、應(yīng)變片法、壓力傳感器法、光纖光柵法、超聲波法等，具體如圖4所示。超聲波法是基于材料的聲彈性效應(yīng)，通過研究螺栓軸向應(yīng)力與超聲波傳播時(shí)間變化，利用發(fā)射和接收時(shí)間差測量螺栓的軸向應(yīng)力。
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