火力發(fā)電廠高溫緊固螺栓的在役超聲波檢測(cè)

霍 彥,呂勝軍

(東北電力科學(xué)研究院,沈陽 110006)

帶有加熱孔的高溫緊固螺栓是火力發(fā)電廠汽輪機(jī)上下缸、主汽門、調(diào)速汽門密合的重要部件。在長(zhǎng)期運(yùn)行中,由于高溫及高應(yīng)力的作用,螺栓材料易產(chǎn)生熱脆、蠕變、疲勞和應(yīng)力腐蝕;由于安裝中預(yù)緊力過高及不慎燒傷中心孔等原因,螺栓材料易產(chǎn)生裂紋[1]。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加,螺栓出現(xiàn)裂紋的幾率不斷增大,如果在例行檢查中,對(duì)微小裂紋能及時(shí)檢出,無疑對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 問題的提出

火電廠汽輪機(jī)檢修中,在機(jī)組解體后發(fā)現(xiàn)螺栓的斷裂現(xiàn)象已屢見不鮮。例如,某電廠2號(hào)機(jī)組高壓調(diào)速氣門12根螺栓在解體后發(fā)現(xiàn)已斷裂了5根。特別是近年來隨著機(jī)組大修周期的延長(zhǎng)和動(dòng)態(tài)檢修,此類問題就更顯突出。從高溫緊固螺栓斷裂的原因分析上,排除金屬材料的因素外,很大原因是在熱緊后和運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致斷裂。而恰恰是在熱緊后和在役中已無法再進(jìn)行檢驗(yàn)和監(jiān)督。另外,由于多方面的原因,在過去的檢驗(yàn)方法上也存在某些局限性：

(1)有加熱孔的螺栓直探頭單側(cè)探傷時(shí),在螺栓對(duì)側(cè)檢驗(yàn)時(shí)靈敏度不夠,只能以本側(cè)為主。

(2)有的螺栓光桿部分比較短,栽絲側(cè)橫波輔助探傷二次波探測(cè)范圍不夠,所以栽絲側(cè)只能靠縱波檢測(cè)大裂紋甚至無法檢測(cè),而且橫波輔助探傷在原則上是要求螺栓拆卸后進(jìn)行。

(3)有的螺栓端頭為球冠型,直探頭根本無法放置,有的帶加熱孔螺栓的探測(cè)面窄小,接觸不好,影響探傷靈敏度和探傷效果。

(4)現(xiàn)場(chǎng)有很多情況下螺栓無法卸下,由于結(jié)構(gòu)原因使用輔助橫波探傷無法實(shí)施。螺栓拆下探傷一是栽絲部分需要機(jī)加工,二是拆卸工作量太大,有的也不切實(shí)際,根本卸不下來。

(5)帶罩帽栽絲螺栓上部分應(yīng)力集中區(qū)在罩帽結(jié)合面處(上部分螺紋中間)檢測(cè)受到限制。

因此,尋找一種新的檢測(cè)方法以彌補(bǔ)其不足是非常必要的,尤其是在熱緊后和在役中實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫緊固螺栓的動(dòng)態(tài)檢測(cè)監(jiān)督是非常有意義的。

2 解決的辦法

根據(jù)螺栓的實(shí)際結(jié)構(gòu),利用其加熱孔進(jìn)行橫波探傷。在螺栓應(yīng)力集中區(qū)容易產(chǎn)生裂紋的部位很容易得到檢測(cè),即使螺栓不卸下或者帶罩帽也能進(jìn)行探傷,而且整根螺栓基本上得到全部檢測(cè)。

2.1 探傷原理

同種螺栓螺紋的型式都是一樣的,它們對(duì)超聲波的反射條件也基本相同。當(dāng)超聲波入射到螺紋處時(shí),在熒光屏上顯現(xiàn)的螺紋波具有一定的特征。若某處螺紋存在裂紋,則將改變螺紋波的這種特征,試驗(yàn)證明觀察這些特征變化可以來判斷有無裂紋。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)絲扣處并不會(huì)引起模擬裂紋反射;但如果有裂紋存在,裂紋截面將遮擋其后的第一齒波,使齒波波高比正常位置的齒波波高明顯降低。根據(jù)該絲扣處波高被遮擋而引起下降的程度,可以判斷裂紋的大小。如果裂紋較嚴(yán)重,隨著裂紋截面的增加,不但螺栓裂紋后第一齒波會(huì)明顯下降,第二齒波,甚至第三齒波也會(huì)造成不同程度的下降,據(jù)此可以對(duì)裂紋進(jìn)行基本定量(圖1)。

2.2 探頭

根據(jù)不同的加熱孔徑選擇不同大小的專用探頭。螺栓內(nèi)孔檢驗(yàn)宜采用較高頻率的探頭,以使螺紋回波清晰、陡直。K值選擇是關(guān)鍵,探頭的主聲束應(yīng)切過螺紋根部且與其后旋合面垂直,此時(shí)螺紋反射波最強(qiáng),裂紋對(duì)螺紋反射波的遮擋最明顯。因螺栓絲扣的模數(shù)決定了絲扣反射角度,要使螺栓齒波得到全反射,根據(jù)不同直徑螺栓的實(shí)際測(cè)定,理想的探頭折射角度應(yīng)為 56°～63°,試驗(yàn)采用K1.5～K2.0的探頭試驗(yàn)證明,＜M100的螺栓宜采用K＞1.7的探頭,＞M100螺栓采用K＜1.7的探頭。遮擋效果基本相同,靈敏度高。

2.3 試塊

按照DL/T694—1999標(biāo)準(zhǔn)[2],以SL-Ⅱ螺栓專用試塊對(duì)儀器探頭組合性能進(jìn)行測(cè)定。確定探頭前沿、折射角度以及掃描速度的調(diào)整等。以退役舊螺栓加工成對(duì)比試塊(線切割),模擬裂紋進(jìn)行測(cè)試,實(shí)測(cè)證明在內(nèi)孔采用橫波掃查時(shí),當(dāng)螺栓出現(xiàn)裂紋時(shí),只要發(fā)現(xiàn)絲扣波有被遮擋而引起波高降低,出現(xiàn)斷檔時(shí),根據(jù)螺紋波與裂紋后第一絲扣波的信號(hào)比(≥6dB)來判斷,該方法能發(fā)現(xiàn)≥1mm裂紋。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 探頭入射點(diǎn)及探頭前沿長(zhǎng)度的測(cè)定

將探頭置于SL-Ⅱ試塊上,找到R50或R25圓弧面反射回波最強(qiáng)點(diǎn),測(cè)量探頭前沿到試塊端頭的距離L1,則探頭前沿長(zhǎng)度L0=50-L1(或L0=25-L1)。由于探頭有圓弧面,可用稠一些的耦合劑。

3.2 探頭K值和折射角β的測(cè)定

將探頭置于SL-Ⅰ型試塊上找到 φ1mm×20mm橫通孔反射波最高點(diǎn),測(cè)量探頭前沿到試塊端頭距離L2,則探頭K=(L2+L0-40)÷20,探頭的折射角β=arctgK。

3.3 掃描速度的調(diào)整

根據(jù)被探螺栓的壁厚,可以在試塊上或螺栓上調(diào)整掃描速度。在試塊上可以根據(jù)探頭的折射角β,首先計(jì)算出 50sinβ和 25sinβ值。然后將探頭置于SL-Ⅱ試塊上,分別找出R50,R25圓弧面反射波最高點(diǎn),并將該兩點(diǎn)最強(qiáng)反射波分別置于熒光屏50sinβ和25sinβ處。為充分利用熒光屏,用延遲功能將前面一段不需要觀察的聲程移到屏外,使熒光屏上所代表的聲程范圍剛好能顯示欲觀察的反射信號(hào)。如在被探螺栓上調(diào),可同樣能觀察到第一、二次反射波即可。

3.4 探傷靈敏度的調(diào)整

螺栓產(chǎn)生裂紋的部位一般是在栽絲結(jié)合面附近,罩帽結(jié)合面附近,退刀槽附近一、二、三扣螺紋根部。因此在螺栓橫波檢驗(yàn)中,靈敏度的調(diào)整應(yīng)根據(jù)所檢測(cè)的部位不同,分別將一、二、三扣的螺紋最強(qiáng)反射波調(diào)節(jié)到熒光屏的60%高,以此作為探測(cè)一、二、三扣螺紋根部裂紋的探傷靈敏度。直接在螺栓上調(diào)節(jié)靈敏度的優(yōu)點(diǎn)是：消除了試塊與工件曲率半徑和表面光潔度不同而造成的靈敏度補(bǔ)償問題。

3.5 探頭掃查方式和裂紋判斷方法

探頭在探測(cè)孔內(nèi)沿軸向前后移動(dòng),并作適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)。從熒光屏上可以觀察到整齊的螺紋反射波。當(dāng)探測(cè)螺栓第一扣螺紋根部裂紋時(shí),在螺栓無裂紋處找到第一扣螺栓最高波,調(diào)整好探傷靈敏度。探頭沿內(nèi)孔作周向移動(dòng),并沿軸向作小范圍(約3mm范圍)前后移動(dòng),觀察第二扣螺紋波是否明顯降低或消失(即第一扣螺紋波與第三扣螺紋波之間是否缺波)。若螺紋排列整齊有序,無缺波現(xiàn)象,則可判斷第一扣螺紋根部沒有裂紋。若出現(xiàn)明顯的缺波現(xiàn)象,且缺波具有一定的周向指示長(zhǎng)度,則可以判斷第一扣螺紋根部存在裂紋。第二扣、第三扣螺紋根部裂紋的探測(cè)方法與前一扣螺紋根部裂紋的探傷和判傷方法相同。裂紋周向測(cè)長(zhǎng)采用絕對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法。即保持探傷靈敏度不變,探頭周向轉(zhuǎn)動(dòng),被遮擋螺紋波低于2格高時(shí),探頭所移動(dòng)的弧長(zhǎng),即為裂紋周向指示長(zhǎng)度。為檢查雙頭螺紋的退刀槽處裂紋,應(yīng)采用兩個(gè)方向的探頭進(jìn)行探傷(圖2),并根據(jù)探頭連桿的長(zhǎng)度進(jìn)行定位。

圖2 螺栓內(nèi)孔橫波探傷示意圖

采用以上方法在多家電廠的主汽門、調(diào)速汽門螺栓熱緊后和在役停機(jī)時(shí)進(jìn)行探傷,多次發(fā)現(xiàn)了由于熱緊力不均而造成的螺栓裂紋,及時(shí)進(jìn)行了更換,避免了螺栓斷裂事故。

4 結(jié)語

對(duì)于帶加熱孔的高溫緊固螺栓,在內(nèi)孔進(jìn)行橫波探傷,可在不拆卸螺栓帶罩帽的情況下,對(duì)螺栓進(jìn)行幾乎全長(zhǎng)度的探傷,實(shí)現(xiàn)了熱緊后或在役停機(jī)時(shí)的檢測(cè)。實(shí)踐證明該方法切實(shí)可行,彌補(bǔ)了以前探傷方法的不足,使螺栓的監(jiān)督檢驗(yàn)方法得到了進(jìn)一步的完善。填補(bǔ)了火力發(fā)電廠高溫緊固螺栓在役超聲波檢驗(yàn)方法的空白,對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行提供了進(jìn)一步的保證。

[1]莊肖曾,俞畫屏,顏家珍.電廠金屬與金屬監(jiān)督[M].北京：中國電力出版社,1999：218-202.

[2]DL/T694—1999 高溫緊固螺栓超聲波檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則[S].