作者：陳國達、郗楓飛、計時鳴、曹慧強(浙江工業大學特種裝備制造與*加工技術／浙江省重點實驗室，浙江杭州310032)
出處：《計量測試及應用》2017年11月
1 背景
螺栓作為工業現場中常用的連接件，普遍應用于航空航天、船舶輪機、橋梁建設、化工設備、新能源等領域的關鍵設備中。由于其具有施工簡單、受力性能好、可拆換、耐疲勞以及在動力荷載作用下不致松動等優點，在用于可拆卸零件和傳遞載荷上有著不可替代的作用，因此成為當前主要的連接、密封方式[1-3]。螺栓一旦在運行中突然斷裂失效。或者在某些關鍵部位發生松脫，將會造成重大的損失甚至災難性后果[4-5]。因此，螺栓的破壞原因及其檢測技術成為當前迫在眉睫的研究內容。
2 原因分析
根據當前對螺栓連接的研究，其結構完整性破壞主要有螺栓松脫和螺栓失效斷裂兩種形式。
2．1螺栓松脫
螺栓的松脫通常認為是導致機構完整性破壞的重要原因。螺栓連接的優勢在于能承受大的載荷的情況下并可重復裝配和拆卸。所以螺栓連接可拆卸的主承力結構服役前，螺栓都按照要求處于擰緊狀態[6]。在實際使用過程中，如若使用不當。或在多次機器啟推壓力的波動、溫度循環載荷作用、組裝時所施加預緊力不平衡，也會造成螺栓松動、螺母脫落等問題[7-9]。如果松動問題發現不及時，極易發生安全事故，造成嚴重的后果。
2．2螺栓失效斷裂
螺栓失效斷裂則是導致機構完整性破壞的又一重要原因。斷裂的成因主要有腐蝕、裂紋以及氫脆。受到腐蝕的螺栓在嚴重過載的情況下，會發生斷裂。歷史數據分析表明由于腐蝕而導致螺栓失效的情況非常少，約90％以上的文章論述了螺栓屬于疲勞失效[10]。
所以這里對腐蝕不再贅述。下面主要對裂紋和氫脆進行介紹。
(1)裂紋螺栓裂紋產生原因主要有二．一是螺栓應用領域廣泛，且往往處在復雜應力、高溫高壓、周期振動等各種惡劣工作環境下，這就使螺栓長期受到溫度應力和振動疲勞的影響，在螺栓齒根部位容易形成應力集中，產生疲勞裂紋3，11]。對于螺栓的疲勞破壞通常不易發現，又很難預防，并且疲勞破壞常常是脆性破壞．具有突發性，由螺栓的疲勞斷裂而造成的重大事故也時有發生[12]。二是螺栓在制造過程中經歷的各種熱處理工藝會產生微裂紋等制造加工缺陷。尤其是在螺栓的頭桿結合部，因其特殊的結構和承受的復雜交變應力，增加其出現淬火裂紋的概率[13-1 4]。這二者造成的疲勞裂紋一旦產生便會在受壓循環應力和介質腐蝕作用下迅速擴展，導致斷裂而引起結構破壞、容器泄漏甚至爆炸事故。
(2)氫脆螺栓氫脆是指螺栓由于吸入了氫，導致螺栓裝配后會在遠小于其正常破壞應力的連接狀態下發生斷裂。氫脆斷裂具有延遲性和低應力破壞，斷裂前幾乎無任何征兆，加上螺栓本身起著結構連接的作用。螺栓氫脆斷裂嚴重危害到當前機械制造業的安全。所以氫脆是高強度螺栓質量隱患的主要來源，對高強度螺栓開展氫脆檢測已經成為當前保證工作的客觀需求[15]。
由于在工程中許多螺栓聯接構件都在設備內部或者工作人員難以觀察的部位，直接觀測或檢測螺栓聯接松緊狀況異常困難，且螺栓輕微的松動、細小的裂紋不易發現、檢測[16]。但毋庸置疑的是，其產生的破壞力巨大。故對螺栓聯接松緊狀態和斷裂前兆的檢測具有重要應用意義。
3 螺栓無損檢測方法介紹
當前，螺栓檢測從開始到現在已經有幾十年的歷程。對螺栓失效形式的檢測方法出現了很多。下面就螺栓失效檢測來介紹近年在螺栓檢測上的技術突破。
3．1螺栓超聲波檢測法
螺栓超聲波檢測是當前應用泛的無損檢測方法之一，它是根據反射回波在超聲波儀器熒屏上的位置和波幅大小判斷缺陷的大小和位置。超聲波裂紋檢測工作原理：由超聲波的基本特性得知，當波遇到障礙時，將發生反射，而障礙的幾何尺寸相對于波長很大時，聲波將不能繼續地向前傳播而全部反射(折射)；而障礙的幾何尺寸相對于波長較小時，聲波將繞過障礙物繼續沿以前的路徑向前傳播[17]。當螺栓齒根存在裂紋時，將擴大了原來齒根部位對聲波的阻擋作用，原來可以繞過齒根部位的聲波大量地被阻擋，于裂紋向縱深伸展，將原來沒有被阻擋的聲波也反射回來。加大了反射回探頭的聲波能量，從而在熒光屏上產生了一個遠遠高于正常齒形波波高的缺陷波。由此便可以檢測是否有裂紋存在。當前常用的超聲波高頻探頭：縱波斜探頭(如圖1)，橫波斜探頭(如圖2)。當螺栓兩端面為平面時，采用縱波小角度探頭(角度視探測的螺紋區長度及端面直徑來確定)在一端面掃查對側：端面無法放置縱波探頭時，再采用橫波斜探頭掃查。其中縱波小角度斜探頭的聲束軸線對準螺紋根部裂紋時檢測靈敏度優于縱波直探頭[18]。
除此之外，一些新興的技術與超聲波技術的結合，讓螺栓超聲波檢測更趨*：上海市特種設備監督檢驗技術研究院薛利杰等[13]研究的超聲相控陣技術，讓探頭中各晶片的激勵均由計算機控制，使得聲束參數(包括角度、焦距和焦點尺寸等)均可通過軟件調整，并可進行掃描成像，螺栓缺陷更加直觀，如圖6；西安熱工研究院有限公司的張建國等[22]提出先采用超聲波全面檢測，再采用滲透檢測驗證的方法，不僅避免了高強度螺栓的全部拆除，提高了工作效率，又保證了檢測靈敏度和檢出率，能較好地檢測發電機組塔筒高強度螺栓質量；內蒙古電力科學研究院張濤等[23]提出使用超聲波與金相檢驗結合的方式進行螺栓質量進行排查．可以有效防止斷裂事故的再次發生；圍核電站運行服務技術有限公司張寶軍等[24] 設計了主螺栓超聲自動檢測設備，該設備可適用國內多種堆型的主螺栓超聲檢測，具有較高的自動化檢測水平，包括運動控制、自動供水及水位調節，以及系統具有故障診斷能力及事故報警功能，結構如圖7；中核核電運行管理有限公司李世偉等心51自主研發的主螺栓螺母超聲檢測控制軟件，該控制系統不僅提高了檢測時傳動機構運動的穩定性．消除了由于徑向跳動帶來較大的誤差，從而提高了檢測精度及信噪比．滿足了不同堆型核電站主螺栓螺母的全體積超聲檢測的要求。
綜上所述，超聲波對高強度螺栓進行無損探傷．雖然方法方便，且反應迅速，成本低廉，且趨向智能化．但超聲檢測用于高強螺栓存在一定難度。因為裂紋的缺陷反射波與螺紋形成的反射波加上底波、遲到波以及對波形判斷的人為因素，對缺陷的判斷的準確率不是太高。所以超聲波探傷未來進步空間很大。
3．2磁粉檢測法
磁粉檢測工作原理：利用鐵磁性材料表面和近表面缺陷的漏磁場吸附磁粉顯示磁痕，所以檢測靈敏度高，可檢測微米級寬度的缺陷，并且能直觀地顯示出缺陷的特性。常用的磁粉檢測方法有磁軛法、線圈法、直接通電磁化法和感應電流法等心[26]。該方法的局限在于需要將整個螺栓(主要是螺紋部位)*清洗處理之后才能進行表面檢測。不僅工作量大、工序繁瑣、檢測效率低，而對于一些不好拆卸的螺栓，強行拆卸又容易造成螺栓損傷，所以該方法的實現有一定的難度[27]。
3．3磁記憶檢測法
磁記憶檢測方法原理是：當鐵磁性構件受到外部載荷作用時，受地球磁場激勵，在應力和變形集中區域會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，磁疇組織的重新取向會導致構件內部產生新的磁狀態。金屬構件表面的這種磁狀態記憶著微觀缺陷或應力集中的位置，即所謂的磁記憶效應。鄧勇剛等[28]通過對兩種規格在用螺栓的金屬磁記憶檢測，并用常規無損檢測方法進行復查。發現了共同的3處缺陷：螺栓體表面裂紋和螺紋處裂紋、螺紋處碰傷。驗證了金屬磁記憶技術的實用性。湖南工業大學余江鴻[29]也采用了金屬磁記憶方法，結果表明磁記憶技術對汽缸蓋螺栓及其斷口的檢測結果是正確的。利用磁記憶檢測進行螺栓疲勞斷裂及斷口分析、追查事故原因是可行的。
但作為一種新興的檢測技術金屬磁記億檢測法在擁有廣闊的應用前景的同時，其基礎理論和檢測手段都有待*。目前尚存在磁記憶現象明確而機理模
糊、檢測標準未定量化、對“危險區”的評判手段仍不*等諸多急需解決的問題，還需進行大量的研究。
3．4壓電阻抗技術
壓電阻抗技術探傷工作原理：當螺栓聯接結構時，螺栓預緊力轉化為壓力作用。螺栓預緊力越大．螺栓聯接界面實際接觸面積越大，通過的超聲波越多，接收到的響應信號越強。故螺栓預緊力越大，聚焦信號幅值越大。通過分析聚焦信號的幅值可確定螺栓預緊力大小，判斷螺栓的聯接狀態。
2013年，武漢科技大學王濤等[30]針對螺栓聯接結構中螺栓松動問題，采用基于壓電主動傳感方式對螺栓聯接狀態進行了研究，裝置如圖8。建立了接收信號能量與螺栓所受扭矩之間的關系。2014年，王濤等[31]又將壓電阻抗技術與試驗機結合，通過加載變化的螺栓預緊力，測量螺栓聯接結構上所安裝的壓電材料的阻抗變化，利用壓電導納實部均方根偏差(RMSD)分析了螺栓的松動程度。2015年，王濤等[32]將時間反演法與壓電阻抗技術結合，所得到的自適應聚焦信號能有效地提高信號信噪比．有很強的抗力，實踐證明壓電時間反演法在螺栓聯接狀態監測上具有很好的應用前景，圖9為實驗裝置結構。實踐證明利用壓電材料進行螺栓聯接狀態監測具有很好的應用前景，但仍有大量課題需要做深入的研究．如壓電超聲波在聯接結構及聯接界面的傳播規律、影響因素等。
3．5固有頻率法
一般情況下如果在結構中某部分發生損傷，會導致整個結構固有頻率發生改變。在大型工程結構發生損傷時，整體頻率變化的主要原因在于結構局部剛度損失，同時還受損傷位置不同的影響。從理論上來講，結構發生損傷后固有頻率會下降，利用結構發生損傷前后頻率的變化可以發現結構是否有損傷的存在，同時結構的固有頻率是最容易測量且比較精確的。
浙江工業大學陳洋[33]對不同螺栓組松動情況進行了仿真分析和模態實驗分析，并且利用對模態頻率的變化識別進行了故障診斷，采用結構整體模態特性作為檢測緊固螺栓連接損傷的方法可以先行大致判斷螺栓組是否已經產生松動損傷。緱百勇等[6]依據螺栓在不同擰緊力下的結構的固有頻率，以及各擰緊力工況與緊固工況固有頻率矢量間的標準歐幾里德距離(SED)，擬合了sED與擰緊力之間的關系曲線，如圖10，由此提出了定量檢測螺栓擰緊力的方法。結果表明，利用此關系曲線能夠比較可靠地評估螺栓松動程度。
3．5固有頻率法
一般情況下如果在結構中某部分發生損傷，會導致整個結構固有頻率發生改變。在大型工程結構發生損傷時，整體頻率變化的主要原因在于結構局部剛度損失，同時還受損傷位置不同的影響。從理論上來講，結構發生損傷后固有頻率會下降，利用結構發生損傷前后頻率的變化可以發現結構是否有損傷的存在，同時結構的固有頻率是最容易測量且比較精確的。
浙江工業大學陳洋[33]對不同螺栓組松動情況進行了仿真分析和模態實驗分析，并且利用對模態頻率的變化識別進行了故障診斷，采用結構整體模態特性作為檢測緊固螺栓連接損傷的方法可以先行大致判斷螺栓組是否已經產生松動損傷。緱百勇等[6]依據螺栓在不同擰緊力下的結構的固有頻率，以及各擰緊力工況與緊固工況固有頻率矢量間的標準歐幾里德距離(SED)，擬合了sED與擰緊力之間的關系曲線，如圖10，由此提出了定量檢測螺栓擰緊力的方法。結果表明，利用此關系曲線能夠比較可靠地評估螺栓松動程度。
歸一化能量法：歸一化能量方法運用能量守恒定律，從總體上對系統進行研究，不需要考慮具體過程。只需分析始末兩個狀態。清華大學丁伯成等[34]根據試驗，發現隨著聯接狀態由緊到松的改變，基礎的歸一化能量相應也由小變大。并且隨著聯接松動程度的加深，相鄰兩狀態間的能量差值越來越小。該試驗為雙螺栓聯接的狀態識別提供了一種新的思路。
氫脆的檢測方法：氫脆是高強度螺栓質量隱患的主要來源，對航天產品用高強度螺栓開展氫脆檢測已經成為當前航天型號產品保證工作的客觀需求。歸納了適用于航天產品用螺栓氫脆檢測的氫含量檢測法、應力持久法和分步加載法¨引。
氫含量檢測法：螺栓氫脆源于螺栓產品中吸入的氫，氫含量檢測法就是要通過控制螺栓產品或制造工藝過程中的氫含量以實現對氫脆風險的控制。氫含量檢測法可以分成物理法和電化學法兩種。
應力持久法：存在氫脆傾向的高強度鋼及其制品，在小于正常拉斷力的持續作用下，會發生氫脆斷裂。應力持久法的基本特征就是對試樣施加持續一定時間的應力，是氫脆檢測的傳統方法。兩大關鍵技術指標：應力值和加載時間。
分步加載法：基于裂紋階梯擴展理論：應力誘導的作用下材料中的氫會向應力集中區域聚集，氫偏聚所消耗的時間為停頓時間，當偏聚濃度達到臨界值時發生裂紋擴展，然后再次發生氫偏聚，再次擴展，如此循環，直至這種裂紋擴展達到失穩狀態．發生斷裂。
磁附法：重慶市特種設備檢測研究院陳卓等[7]新設計的塔機螺栓安全檢測裝置。主要由帶號碼的磁塊和塑料環片組成(如圖12)。工作原理：當螺栓受力，螺母松動下移，推動塑料和磁塊環向下移動，當磁塊脫離螺栓底部并受到的磁力小于其自身重力的時候，便會與塑料環一起掉落。工作人員可根據掉落的磁塊或者塑料環鎖定疑似問題螺栓。直觀有效的方式，但要用于對螺栓脫落危險較低的位置，對于高要求的機械設備，該螺栓的脫落對于檢測來說是滯后的，且有可能造成嚴重后果。
角度傳感器方法：甘肅省特種設備檢驗研究中心魏泰等[35]開發的螺栓防松長期監測技術：在的被監測螺母上安裝一個角度傳感器及接收器。通過實時監測得出螺母逆時針旋轉的角度信號，螺栓的預緊力作為初始狀態，傳感器的計數值設為0，隨著螺栓的蠕動，螺母會發生逆時針旋轉，傳感器隨之計數。原理如圖13。
4 結語
螺栓由于其當前在機械設備固定和密封上的廣泛使用，所以松動或者斷裂導致的螺栓連接失效會對工業設備和操作人員造成巨大的損失，對螺栓失效的檢測自然會成為越來越受人關注的技術，通過對現有技術的分析，未來的螺栓無損檢測技術會在以下幾個方向上不斷發展：
多樣化：經過多年的發展，以超聲波、磁粉、壓電阻抗為代表的螺栓傳統檢測技術得到了飛速發展，一些檢測上的難題也不斷得到解決。鑒于不同檢測方法的優缺點．結合多種方法進行互補檢測逐步成為現實，如超聲波粗檢與磁粉復檢。同時，隨著社會的進步以及交叉學科的不斷延伸，大量新型螺栓檢測技術不斷誕生：如敲擊檢測法、歸一化能量法、氫脆檢測、時間反演技術等。未來隨著新技術的不斷涌現，相信會有更多更*的技術會融入到螺栓無損檢測的大家庭來。
精準化：雖然當前對于螺栓失效的檢測方法眾多，但各自的缺陷不容忽視：超聲波檢測多種假信號對檢測結果的影響：磁粉檢測工作量巨大和檢測條件苛刻的問題：金屬磁記憶法機理模糊、自由度大的問題；壓電阻抗中聲波在聯接結構及聯接界面的傳播規律、影響因素的不明確等。這些技術上的問題的解決與否是未來螺栓無損檢測能否實現準確、高效判斷的關鍵。
標準化：螺栓無損檢測技術發展已久，檢測環境與檢測技術越來越多樣化，導致原有的規范化文件相對落后。如不同研究團體對螺栓超聲波檢測過程中靈敏度的調整有不同的標定；金屬磁記憶方法標準未定量化：敲擊檢測中敲擊力的大小與穩定性還在探索過程中。針對當前螺栓失效問題嚴重性越來越凸顯的形勢。勢必會引起各研究人員進行技術的合作，改進檢測方法、提高檢測精度、擴大檢測方法適用性范圍。同時為成熟的檢測過程制定行業標準，獲得行業秩序和制造業效益。
系統化：隨著檢測技術的多樣化成熟化、現代通信技術和計算機網絡技術的發展，螺栓無損檢測技術將趨于系統化、產品化，將檢測、辨別、信號處理、信號可視化等工作集成在一起，成為檢測平臺。讓檢測工作人員可以在簡單的操作下實現高效檢測。
