超超臨界火電機(jī)組Inconel 783螺栓的超聲檢測(cè)

曹云峰，田尉建，花喜陽(yáng)，張振華

(1.徐州電力試驗(yàn)中心，徐州 221009;2.國(guó)華徐州發(fā)電有限公司，徐州 221000)

國(guó)內(nèi)超超臨界火電機(jī)組現(xiàn)已大批量投產(chǎn)運(yùn)行，機(jī)組內(nèi)的蒸汽溫度和壓力都有很大程度提高，一批耐高溫、高強(qiáng)度鎳基高溫合金材料(GH4145、Inconel 783等)被廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組螺栓的制造中。近年來(lái),國(guó)內(nèi)數(shù)家電廠汽機(jī)中壓主汽門、中調(diào)門的Inconel 783螺栓發(fā)生多起斷裂事故，造成機(jī)組非停，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，因此多家發(fā)電集團(tuán)把Inconel 783螺栓斷裂作為重大設(shè)備隱患進(jìn)行治理。由于此類螺栓為不通孔中心結(jié)構(gòu)，幾何形狀復(fù)雜，超聲檢測(cè)時(shí)僅采用一種工藝方法，不能很好地檢測(cè)出裂紋等危害性缺陷，筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)際情況，論述了幾種有效的檢測(cè)方法。

1 常見鎳基合金螺栓參數(shù)

目前國(guó)內(nèi)超超臨界火電機(jī)組三大發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)，所采用的鎳基合金螺栓材料主要有Inconel 783、 GH4145、 R-26等。文章主要針對(duì)Inconel 783材料螺栓進(jìn)行分析討論。

1.1 常見鎳基合金螺栓材料及其參數(shù)

常見鎳基合金螺栓材料及其參數(shù)如表1所示[1]。

表1 鎳基螺栓材料及其參數(shù)

1.2 Inconel 783螺栓規(guī)格

常見Inconel 783螺栓規(guī)格有M72和M90兩種，均帶有未打通中心孔。螺栓兩端均為平面，中間直段為光桿,兩側(cè)變徑過渡至螺紋區(qū)域，螺紋根部與光桿直徑差一般不小于3 mm。M72螺栓實(shí)物及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 M72螺栓實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意

1.3 Inconel 783螺栓金相組織

對(duì)螺栓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相分析，其組織為奧氏體+β( NiAl )相，一般晶粒度為45級(jí)。其金相組織顯微圖像如圖2所示，對(duì)于晶粒度較粗大的螺栓,檢測(cè)前應(yīng)進(jìn)行聲速測(cè)定，測(cè)定方法見標(biāo)準(zhǔn)DL/T 694-2012附錄C，偏差值超過100 m·s-1時(shí)應(yīng)作定位修正，探頭頻率為2 MHz2.5 MHz。

圖2 螺栓金相組織顯微圖像(400×)

2 超聲檢測(cè)工藝分析

對(duì)Inconel 783鎳基合金螺栓開展超聲檢測(cè)工藝分析，依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 694-2012要求，應(yīng)結(jié)合螺栓外觀形狀、晶粒大小、聲速等參數(shù)進(jìn)行全面分析，選用小角度縱波、爬波、橫波等方法對(duì)螺栓齒根、光桿及中心孔內(nèi)外壁等位置進(jìn)行全面檢測(cè)。

2.1 小角度縱波法檢測(cè)

當(dāng)螺栓兩端面平整規(guī)則，且有寬度大于10 mm的平面時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用小角度縱波法。小角度縱波法可以對(duì)螺栓絲扣及螺栓本體進(jìn)行有效檢測(cè)。所選用的探頭頻率為2.5 MHz，折射角βL為6°～12°，根據(jù)螺栓端面面積確定晶片尺寸。探頭折射角βL的選擇一般根據(jù)螺栓端面面積和本側(cè)絲扣長(zhǎng)度來(lái)綜合考慮，以確保檢測(cè)范圍覆蓋大部分螺栓絲扣。探頭折射角βL采用螺栓端面沿徑向移動(dòng)值R與絲扣長(zhǎng)度進(jìn)行正切函數(shù)計(jì)算得到(見圖3)[2]。在實(shí)際探測(cè)時(shí)還應(yīng)結(jié)合螺栓的規(guī)格來(lái)選擇探頭，M56～M72螺栓宜選用的探頭頻率為2.5 MHz，折射角βL為6°～8°，晶片尺寸為9 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬)；M90以上螺栓宜選用的探頭頻率為2.5 MHz，折射角βL為8°～12°，晶片尺寸為13 mm×13 mm(長(zhǎng)×寬)。

圖3 R與βL計(jì)算方法示意

常見規(guī)格螺栓折射角βL與探頭徑向移動(dòng)值R的關(guān)系如表2所示[2]。

表2 探頭βL與探頭徑向移動(dòng)值R的關(guān)系 mm

(1) 檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)。其可以檢測(cè)螺栓本側(cè)、對(duì)側(cè)螺紋及螺栓本體部分，方便快捷，且對(duì)螺栓晶粒大小不敏感，檢測(cè)靈敏度高，缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)量和位置判定準(zhǔn)確度高，能識(shí)別長(zhǎng)度不小于1 mm的裂紋。

(2) 檢測(cè)缺點(diǎn)。用該法實(shí)施檢測(cè)時(shí)，螺栓兩端面需平整規(guī)則，或一個(gè)端面有寬度不小于10 mm的平面。

2.2 橫波法檢測(cè)

當(dāng)螺栓端面較小或不平整規(guī)則時(shí)，應(yīng)采用橫波法檢測(cè)。橫波法可以對(duì)螺栓中心孔內(nèi)壁、螺栓光桿處表面、螺栓齒根等位置進(jìn)行有效的檢測(cè)。橫波探頭頻率為2 MHz～2.5 MHz[3]，K值一般選取1.7。

(1) 檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)時(shí)，用螺紋反射波來(lái)調(diào)整檢測(cè)靈敏度，選用4～6個(gè)螺紋波，將螺紋反射波調(diào)到屏高的60%即可[3]。該方法方便快捷無(wú)需試塊。當(dāng)螺栓某個(gè)螺紋反射波被遮擋時(shí)，需判斷識(shí)別是否有裂紋等缺陷。裂紋識(shí)別檢測(cè)原理及波形如圖4所示。

圖4 裂紋的橫波法檢測(cè)原理及波形

(2) 檢測(cè)缺點(diǎn)。鎳基高溫合金螺栓晶粒粗大會(huì)帶來(lái)噪聲增大、螺紋波形態(tài)不規(guī)則、裂紋缺陷不易識(shí)別等問題。

2.3 爬波法檢測(cè)

當(dāng)螺栓晶粒粗大導(dǎo)致林狀雜波較多而遮擋有效螺紋波，不能使用橫波檢測(cè)時(shí)，須采用爬波法檢測(cè)。爬波法可以很好地避免晶粒對(duì)聲波的散射衰減，提高裂紋的檢出率。但前提條件是，螺栓齒根距光栓面高度應(yīng)小于1 mm?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)采用并聯(lián)式爬波探頭，頻率為2.0 MHz～2.5 MHz，檢測(cè)直徑不小于140 mm的螺栓選用2 MHz探頭， 根據(jù)螺栓的規(guī)格選擇探頭晶片尺寸(宜與螺栓曲面吻合良好)。齒根與光栓高度差的關(guān)系示意如圖5所示。裂紋的爬波法檢測(cè)波形如圖6所示。

圖5 齒根與光栓面高度差關(guān)系示意

圖6 裂紋的爬波法檢測(cè)波形

(1) 檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)。該法檢測(cè)時(shí)采用并聯(lián)低頻雙晶爬波探頭，始脈沖后無(wú)雜波，減少了橫波探頭因始脈沖占寬對(duì)檢測(cè)的干擾，提高了信噪比和檢測(cè)靈敏度，缺陷波形明晰孤立，指示長(zhǎng)度測(cè)量方便準(zhǔn)確[3]。

(2) 檢測(cè)缺點(diǎn)。不易區(qū)別受螺栓形狀和規(guī)格影響而產(chǎn)生的偽缺陷信號(hào)，包括固定位置信號(hào)、變形波等。探頭晶片需與螺栓曲面吻合良好，以避免裂紋檢出率下降。

3 檢測(cè)案例

某電廠1 000 MW超超臨界火力發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)中壓主汽門、調(diào)門螺栓(共計(jì)88個(gè))進(jìn)行超聲檢測(cè)，螺栓材料為Inconel 783，規(guī)格為72 mm×330 mm和90 mm×390 mm(螺紋直徑×長(zhǎng)度)。

3.1 探頭選擇及靈敏度設(shè)定

(1) 小角度縱波法。探頭頻率為2.5 MHz,折射角βL為6°和8°,晶片尺寸為9 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬),以LS-Ⅰ試塊同聲程φ1 mm-12 dB作為檢測(cè)靈敏度進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 橫波檢測(cè)。探頭頻率為2.5 MHz,K值為1.7,晶片尺寸為13 mm×13 mm(長(zhǎng)×寬)，探頭曲面吻合螺栓； 螺栓絲扣檢測(cè)選用出現(xiàn)4～6個(gè)螺紋波60%波高，光桿或孔內(nèi)壁處檢測(cè)選用LS-1試塊同聲程φ1 mm-6 dB作為檢測(cè)靈敏度進(jìn)行檢測(cè)。

(3) 爬波法檢測(cè)。探頭頻率為2.5 MHz，K值為1.7，晶片尺寸14 mm×22 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬×高)、探頭曲面吻合螺栓；以LS-Ⅱ試塊深度1 mm模擬裂紋反射80%波高-6 dB作為檢測(cè)靈敏度進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

采用3種檢測(cè)工藝方法進(jìn)行超聲檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)10個(gè)螺栓有長(zhǎng)度大于1 mm的裂紋，不同部位裂紋的檢出情況如表3所示。

表3 3種工藝方法對(duì)不同部位裂紋的檢出情況

實(shí)際檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于螺栓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，螺栓光桿與絲扣結(jié)合位置有一定高度差，橫波和爬波法對(duì)裂紋的檢出效果不明顯，而小角度縱波檢測(cè)對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確，能有效區(qū)分螺栓絲扣和中心孔內(nèi)壁處裂紋回波，裂紋反射當(dāng)量值高，易于發(fā)現(xiàn)裂紋。3種方法的檢測(cè)原理如圖7所示。對(duì)發(fā)現(xiàn)的螺栓絲扣裂紋進(jìn)行著色滲透檢測(cè)，裂紋顯示如圖8所示，裂紋反射波形如圖9所示，內(nèi)壁裂紋波形及解剖后的螺栓實(shí)物如圖10所示。

圖7 3種方法的檢測(cè)原理示意

圖8 Inconel 783螺栓絲扣處裂紋顯示

圖9 螺栓裂紋反射波形

圖10 Inconel 783螺栓內(nèi)壁裂紋波形及解剖后實(shí)物

4 結(jié)論

通過滲透檢測(cè)和解剖復(fù)驗(yàn)手段對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的螺栓進(jìn)行驗(yàn)證，得出超聲檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際裂紋形狀完全一致的結(jié)論。小角度縱波法能有效發(fā)現(xiàn)螺栓中的裂紋，檢出率優(yōu)于橫波和爬波法的，定位和定量準(zhǔn)確，在現(xiàn)場(chǎng)工作中易于掌握和使用。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，裂紋可能有分叉走向，受限于探頭主聲束角度，有些缺陷不易檢出，此時(shí)需要適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，使主聲束與裂紋面垂直，確保小裂紋不漏檢。

當(dāng)螺栓端面平整，一端或兩端有直徑大于10 mm平面能放置探頭的情況下，均應(yīng)優(yōu)先選擇小角度縱波檢測(cè)法。小角度縱波法受材料粗晶影響小，晶界散射損失少，能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)1 mm以上的裂紋。

兩端面不能進(jìn)行小角度縱波法檢測(cè)時(shí)，可采用K為1.7的橫波探頭進(jìn)行檢測(cè)；當(dāng)螺栓晶粒較粗大，螺紋波不明顯，且螺栓齒根與光栓面高度差小于1 mm時(shí)應(yīng)選用爬波法檢測(cè)。

Inconel 783螺栓高溫運(yùn)行1萬(wàn)h以上時(shí)可能會(huì)發(fā)生螺栓斷裂失效現(xiàn)象，裂紋多集中于中心孔底部盲孔位置和螺栓光桿與螺紋變徑區(qū)域，此區(qū)域應(yīng)力集中明顯，是該類螺栓重點(diǎn)檢測(cè)位置[4]。