鎳基合金螺栓超聲檢測(cè)的典型案例

曹云峰，花喜陽(yáng)，田尉建，趙福剛

(徐州電力試驗(yàn)中心， 徐州 221009)

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鎳基合金螺栓超聲檢測(cè)的典型案例

曹云峰，花喜陽(yáng)，田尉建，趙福剛

(徐州電力試驗(yàn)中心， 徐州 221009)

介紹了四種常見(jiàn)的鎳基合金螺栓超聲波檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)案例，根據(jù)螺栓的幾何尺寸、晶粒度大小、聲速變化等具體情況，總結(jié)出選用具體超聲檢測(cè)工藝方法的依據(jù)，以確保有效檢出螺栓不同部位的裂紋缺陷，對(duì)鎳基合金螺栓超聲波檢測(cè)具有借鑒意義。

鎳基合金螺栓；超聲波檢測(cè)；裂紋

目前我國(guó)火電超超臨界機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到600 MW～1 000 MW，機(jī)組參數(shù)如溫度和壓力有很大的提高。因此一批耐高溫、高強(qiáng)度、高合金材料(一般指合金元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在10%以上的材料)螺栓如InconelAlloy 783、GH4169、 GH4145、 R-26被大量使用，這些螺栓在國(guó)內(nèi)使用時(shí)間較短，運(yùn)行中已經(jīng)發(fā)生了如汽缸螺栓、汽輪機(jī)中壓主汽門、中調(diào)門螺栓斷裂等問(wèn)題。由于這些材料的螺栓晶粒度粗大且自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅采用一種超聲檢測(cè)方法易使裂紋漏檢，筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際情況，論述了幾種螺栓的特點(diǎn)及其裂紋的有效檢測(cè)方法，以確保螺栓不同部位的裂紋都被檢出。

1 鎳基合金螺栓參數(shù)

易產(chǎn)生裂紋的幾種鎳基合金螺栓的參數(shù)如表1所示[1]。

表1 易產(chǎn)生裂紋的鎳基合金螺栓的參數(shù)

2 鎳基合金螺栓檢測(cè)方法

依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)幾種鎳基合金螺栓進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，結(jié)合螺栓的金相組織、規(guī)格尺寸、實(shí)測(cè)聲速等進(jìn)行了綜合分析。對(duì)螺栓的齒根、中心孔壁、桿部?jī)?nèi)外壁，應(yīng)分別采用小角度縱波、爬波、橫波檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)前應(yīng)做聲速測(cè)量，螺栓聲速與對(duì)比試塊聲速偏差不小于100 m·s-1時(shí)應(yīng)作定位修正。

2.1 小角度縱波檢測(cè) 根據(jù)螺栓外觀尺寸和金相組織的特點(diǎn)，要保證螺栓絲扣根部的有效檢測(cè)，一般選用頻率為2.5 MHz、折射角為6°～12°的探頭，再根據(jù)螺栓端面面積確定晶片尺寸。螺栓兩端為平面，或一端為平面、另一端具有不小于5 mm寬度的平面時(shí)可采用小角度縱波法。探頭折射角βL的大小一般根據(jù)螺栓端面面積和本側(cè)絲扣長(zhǎng)度來(lái)綜合考慮，確保檢測(cè)范圍覆蓋大部分螺栓絲扣。采用探頭沿徑向移動(dòng)距離R與絲扣長(zhǎng)度進(jìn)行正切函數(shù)計(jì)算探頭折射角βL，端面可移動(dòng)距離R與探頭折射角βL的關(guān)系如圖1所示。常見(jiàn)規(guī)格螺栓的折射角βL與探頭徑向移動(dòng)距離R的關(guān)系見(jiàn)表2。表2中帶中心孔螺栓端面徑向?qū)挾炔恍∮? mm。

圖1 端面可移動(dòng)距離R與探頭折射角βL的關(guān)系

螺栓規(guī)格/mm探頭沿螺栓端面徑向移動(dòng)距離R/mmβL=6°βL=8°βL=12°本側(cè)螺栓絲扣長(zhǎng)度/mmM567．49．814．9不大于70M7210．514．121．3不大于100M10012．616．925．5不大于120M14015．821．131．9不大于150

小角度縱波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)粗晶組織不敏感，抑制粗晶材料草狀雜波作用明顯，能識(shí)別不小于1 mm的缺陷，能精確測(cè)定缺陷指示長(zhǎng)度，定位定量準(zhǔn)確；缺點(diǎn)為：螺栓端面至少需要不小于5 mm寬度的平臺(tái)，否則無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)。

2.2 橫波檢測(cè)

圖2 橫波檢測(cè)裂紋波形示例

橫波檢測(cè)適用于端面為球冠型、無(wú)探頭擱置平臺(tái)螺栓的裂紋，以及螺栓中心孔內(nèi)壁、光桿范圍內(nèi)外壁裂紋的檢測(cè)，檢測(cè)裂紋波形示例如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)為：根據(jù)螺栓自身齒根絲扣波高度測(cè)定檢測(cè)靈敏度，無(wú)需試塊，避免了聲速修正。根據(jù)缺陷波后面的絲扣波缺失范圍估算缺陷當(dāng)量尺寸，可以測(cè)定缺陷長(zhǎng)度并確定缺陷的性質(zhì)。缺點(diǎn)為：對(duì)于公稱直徑大于100 mm的鎳基高溫合金螺栓，壁厚隨外徑增大而增加，當(dāng)晶粒度為1～4級(jí)時(shí)，噪聲超過(guò)30%屏高，無(wú)法分辨齒根波動(dòng)態(tài)范圍。

2.3 爬波檢測(cè)

爬波檢測(cè)法能有效減少粗晶材料中的散射衰減，當(dāng)晶粒粗大導(dǎo)致無(wú)法采用橫波檢測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮采用爬波檢測(cè)。爬波檢測(cè)的前提條件是螺栓齒根與螺栓桿端面高度差應(yīng)小于1 mm，如齒根處與螺栓桿端面高度差越大則深度越小的裂紋越難檢出。齒根與螺栓桿端面高度差關(guān)系見(jiàn)圖3，爬波檢測(cè)裂紋波形示例見(jiàn)圖4。

圖3 齒根與螺栓桿端面高度差關(guān)系

圖4 爬波檢測(cè)裂紋波形示例

爬波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)為：能顯著降低草狀雜波，提高信噪比和檢測(cè)靈敏度，采用的是低頻雙晶爬波探頭，始脈沖后無(wú)雜波，缺陷波型清晰，能精確測(cè)定缺陷指示長(zhǎng)度；缺點(diǎn)為：對(duì)于螺栓齒根部不小于1 mm的缺陷，有效檢測(cè)距離為50 mm，僅適用于螺栓第1～10絲扣的檢測(cè)。爬波探頭弧面要與螺栓光桿面接觸吻合，否則將導(dǎo)致噪聲升高，小裂紋檢出能力下降。

3 典型鎳基合金螺栓裂紋的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 GH4169汽輪機(jī)內(nèi)缸螺栓檢測(cè)

某發(fā)電廠1 000 MW機(jī)組汽缸螺栓規(guī)格為M155×1060 mm，帶有中心孔兩端為平面，齒根部與光桿高度差小于1 mm，螺栓金相組織粗大，晶粒度為1～3級(jí)，金相組織形貌見(jiàn)圖5。

圖5 GH4169螺栓金相組織形貌 (200×)

第一步采用爬波檢測(cè)，爬波波束在螺栓表面呈85度折射并未發(fā)現(xiàn)缺陷波，但在12～15絲扣處發(fā)現(xiàn)連續(xù)缺陷可疑信號(hào)，缺陷反射波波幅低于1 mm 模擬裂紋反射當(dāng)量，指示長(zhǎng)度為150 mm,懷疑為內(nèi)部缺陷；第二步采用橫波法復(fù)驗(yàn)，由于晶粒粗大,橫波檢測(cè)噪聲為40%屏高，絲扣波不能呈現(xiàn)指數(shù)衰減型波形；第三步采用探頭頻率為2.5 MHz、晶片尺寸為13 mm×13 mm的小角度縱波探頭檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部中心孔處較強(qiáng)裂紋回波反射，實(shí)測(cè)指示長(zhǎng)度為150 mm，解剖發(fā)現(xiàn)裂紋位于距退刀槽第12～15絲扣處,裂紋長(zhǎng)度為162 mm，裂紋外觀及波形見(jiàn)圖6，7。

圖6 GH4169螺栓解剖裂紋外觀

圖7 小角度縱波檢測(cè)GH4169螺栓裂紋波形

3.2 R-26汽缸螺栓檢測(cè)

螺栓兩端為平面，規(guī)格為M50×386 mm，兩側(cè)絲扣中間有定位凸臺(tái)，帶有中心孔，螺栓金相組織為奧氏體，晶粒度為4～5級(jí)。采用小角度縱波檢測(cè)，探頭頻率為2.5 MHz、晶片尺寸為13×13 mm、入射角度為4°，檢測(cè)區(qū)域?yàn)槁菟ńz扣、定位凸臺(tái)與螺桿的圓弧過(guò)渡區(qū)域。

采用小角度縱波法檢測(cè)螺栓兩端絲扣，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，但在檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓中間光桿部分局部有微弱反射信號(hào)，可疑信號(hào)反射量低于屏高30%，考慮此處為小角度縱波的擴(kuò)散波束掃查到光桿R弧處出現(xiàn)的缺陷。當(dāng)采用爬波法復(fù)驗(yàn)光桿部分時(shí)發(fā)現(xiàn)R弧處的周向裂紋，裂紋外觀及反射波形見(jiàn)圖8，后用滲透檢測(cè)方法證實(shí)該處為裂紋。

圖8 R-26螺栓外壁裂紋外觀和檢測(cè)波形

3.3 GH4145高壓靜葉持環(huán)螺栓檢測(cè) 某電廠超臨界機(jī)組高壓靜葉持環(huán)螺栓規(guī)格為M95×485 mm，金相組織為奧氏體，晶粒度2～3級(jí)。其一端為平面，直接采用小角度縱波法檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷；另一端為球冠側(cè)，無(wú)法放置小角度縱波探頭。改用頻率為2.5 MHz、 晶片尺寸為13 mm×13 mm、 弧度為φ100 mm的橫波探頭在螺栓第13～14絲扣根部發(fā)現(xiàn)裂紋反射波,且與螺栓軸線垂直, 解剖后可見(jiàn)裂紋源自絲扣根部，解剖裂紋外觀見(jiàn)圖9，橫波檢測(cè)裂紋處缺失波形見(jiàn)圖10。

圖9 GH4145螺栓解剖裂紋外觀

圖10 橫波檢測(cè)GH4145螺栓裂紋處缺失波形

3.4 Inconel Alloy783汽輪機(jī)中調(diào)門螺栓檢測(cè) 用于超超臨界機(jī)組的Alloy783螺栓規(guī)格為M72×330 mm，由于多家電廠中壓調(diào)門、中壓主汽門螺栓發(fā)生斷裂，需要在電廠停機(jī)檢修時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。

螺栓中心孔為非通孔，兩端面均為平面，金相組織均勻，晶粒度5～6級(jí)。采用小角度縱波檢測(cè)，選用2.5 MHz、晶片尺寸13 mm×13 mm、入射角4°探頭，檢測(cè)到5～7絲扣齒根部出現(xiàn)疑似缺陷信號(hào)，指示長(zhǎng)度(根據(jù)探頭移動(dòng)距離測(cè)定的缺陷長(zhǎng)度)為3/4圓周，探頭轉(zhuǎn)向中心孔內(nèi)壁掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔周邊呈現(xiàn)不連續(xù)的缺陷反射信號(hào)，反射波形見(jiàn)圖11，Alloy783螺栓裂紋外觀見(jiàn)圖12。

圖11 小角度縱波檢測(cè)Alloy 783螺栓裂紋波形

圖12 Alloy783螺栓裂紋外觀

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 小角度縱波對(duì)粗晶不敏感，能抵御晶界散射，抗干擾能力強(qiáng)，能有效區(qū)分中心孔內(nèi)壁和絲扣根部不小于1 mm深裂紋及裂紋指示長(zhǎng)度。凡在螺栓一側(cè)或兩側(cè)有平面可以放置探頭的情況下，均應(yīng)優(yōu)先選擇小角度縱波檢測(cè)方法。

(2) 當(dāng)螺栓另一側(cè)無(wú)法放置小角度縱波斜探頭時(shí)，可采用k為1.7的橫波探頭進(jìn)行檢測(cè)，如噪聲影響無(wú)法有效檢測(cè)時(shí)可采用爬波法檢測(cè)。

(3) 螺栓齒根部與螺栓桿端面高度差小于1 mm時(shí)才可采用爬波法檢測(cè)。

(4) Inconel Alloy783螺栓經(jīng)高溫運(yùn)行1～2萬(wàn)h后均有不同程度的斷裂失效，調(diào)門螺栓裂紋多位于距中心未通孔末端5～15 mm區(qū)域，可見(jiàn)該處為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這類螺栓的定期檢測(cè)，建議制造廠對(duì)螺栓內(nèi)孔布置進(jìn)行修改，避免因結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)至其斷裂失效。

[1] 王維東，魏忠瑞，韓玉峰，等.鎳基高溫合金緊固螺栓的超聲波探傷工藝[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，36(5)：49-51.

The Ultrasonic Testing Typical Case of Nickel-Based Alloy Bolt

CAO Yun-feng, HUA Xi-yang, TIAN Wei-jian, ZHAO Fu-gang

(Xuzhou Electric Power Testing Center, Xuzhou 221009, China)

Four kinds of common nickel-based alloy ultrasonic testing case was introduced. According to the geometric size of bolt, the grain size,velocity of sound change etc, it was concluded that the method of ultrasonic testing can be used to detect the crack defects in different parts of the bolt, and it could guide the ultrasonic testing of nickel-based alloy bolt.

Nickel-based alloy bolt; Ultrasonic testing; Crack

10.11973/wsjc201611018

2016-05-10

曹云峰(1971-)，男，高級(jí)工程師， 主要從事火電廠無(wú)損檢測(cè)工作。

曹云峰，E-mail：704498235@qq.com。

TG115.28

B

1000-6656(2016)11-0079-04