鎳基合金螺栓超聲檢測(cè)工藝

曹云峰，李建勇，田尉建，花喜陽

(1. 徐州電力試驗(yàn)中心，江蘇 徐州 221009；2. 中國廣核新能源控股有限公司，上海 200241)

0 前言

隨著國內(nèi)超超臨界火電機(jī)組的迅猛發(fā)展,一批耐高溫、高強(qiáng)度、抗疲勞性能較好的高合金材料被廣泛使用,如奧氏體(鎳基高溫合金) GH4169,GH4145,Inconel 783等合金螺栓。然而,由于這類材料在國內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較短,多個(gè)電廠超超臨界機(jī)組曾因汽輪機(jī)中壓主汽門、中調(diào)門等部件的螺栓發(fā)生斷裂造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī),嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。此類螺栓為非全通中心孔結(jié)構(gòu),幾何形狀復(fù)雜,僅采用一種超聲波檢測(cè)工藝不能很好地檢測(cè)出裂紋等危害性缺陷,故結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際檢測(cè)情況,分析探討幾種檢測(cè)方法的有效性。

1 鎳基合金螺栓常見材質(zhì)

目前,國內(nèi)超超臨界火電機(jī)組發(fā)電設(shè)備主要采用三菱、東芝和西門子公司的設(shè)備技術(shù),其鎳基合金螺栓材質(zhì)主要有Inconel 783,GH4169,GH4145,R-26等,各材質(zhì)參數(shù)情況見表1。

表1 鎳基螺栓常見材質(zhì)及其參數(shù)

常見Inconel 783螺栓帶有非全通中心孔,規(guī)格有M72和M90兩種。螺栓為規(guī)則雙平面,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R過渡段高度差一般不小于3 mm。Inconel 783螺栓現(xiàn)場金相組織為奧氏體+滲透體,一般晶粒較粗大。

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),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》,應(yīng)結(jié)合螺栓形狀尺寸、晶粒大小、聲速等情況進(jìn)行全面分析,選用橫波法、爬波法和小角度縱波法對(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 橫波法檢測(cè)

當(dāng)螺栓端面較小,或不平整、不規(guī)則時(shí),應(yīng)選用橫波檢測(cè)。選用適應(yīng)鎳基高溫合金螺栓的頻率為2～2.5 MHz的橫波探頭,k值大小一般取1.7。橫波法可以對(duì)螺栓中心孔內(nèi)壁、螺栓光桿處表面、螺栓齒根進(jìn)行有效檢測(cè)。

(1) 優(yōu)點(diǎn)：可通過螺紋反射波來調(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)至60 %的屏高即可。該法方便快捷、無需試塊。當(dāng)螺栓的某個(gè)螺紋反射波被遮擋時(shí),需判斷識(shí)別是否存在裂紋缺陷等。

(2) 缺點(diǎn)：鎳基高溫合金螺栓晶粒粗大會(huì)導(dǎo)致噪聲升高、螺紋波形不規(guī)則、裂紋缺陷不易識(shí)別等現(xiàn)象。

2.2 爬波法檢測(cè)

當(dāng)因螺栓晶粒粗大導(dǎo)致林狀雜波較多而遮擋有效螺紋波時(shí),無法使用橫波檢測(cè),此時(shí)可采用爬波法檢測(cè)。該法可以很好地避免晶粒對(duì)聲波的散射衰減,提高對(duì)裂紋的檢測(cè)率,但前提要求是螺栓齒根距光栓面高度要小于1 mm。現(xiàn)場檢測(cè)時(shí),應(yīng)選用頻率為2.0～2.5 MHz的并聯(lián)式爬波探頭,其中檢測(cè)大于或等于M140尺寸的螺栓時(shí),應(yīng)選用2 MHz探頭；應(yīng)根據(jù)螺栓的規(guī)格選擇探頭,確保探頭的晶片尺寸與螺栓曲面相近。

(1) 優(yōu)點(diǎn)：采用并聯(lián)低頻雙晶爬波探頭,始脈沖后無雜波,避免了傳統(tǒng)橫波探頭因始脈沖占寬干擾缺陷檢測(cè)的弊病,提高了信噪比和檢測(cè)靈敏度,缺陷波型明晰孤立,指示長度測(cè)量方便準(zhǔn)確。

(2) 缺點(diǎn)：因難以區(qū)別螺栓形狀和規(guī)格而產(chǎn)生偽缺陷信號(hào),主要有固定位置信號(hào)、變形波等。應(yīng)確保探頭晶片尺寸應(yīng)與螺栓曲面相近并吻合良好,否則會(huì)降低裂紋檢出率。

2.3 小角度縱波法檢測(cè)

當(dāng)螺栓兩端面平整、規(guī)則,且有大于10 mm寬度的平面時(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)。探頭選用：頻率2.5 MHz,折射角βL為6°～12°,根據(jù)螺栓端面面積決定晶片尺寸大小。探頭折射角βL大小選擇一般根據(jù)螺栓端面面積和本側(cè)絲扣長度綜合考慮,確保檢測(cè)范圍覆蓋大部分螺栓絲扣。探頭折射角度βL選用方法采用螺栓端面沿徑向移動(dòng)值R與絲扣長度進(jìn)行正切函數(shù)計(jì)算。

(1) 優(yōu)點(diǎn)：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。對(duì)螺栓晶粒大小不敏感,檢測(cè)靈敏度高,缺陷指示長度測(cè)量和位置判定準(zhǔn)確,能識(shí)別1 mm以上裂紋。

(2) 缺點(diǎn)：螺栓兩端面需平整、規(guī)則,或一個(gè)端面至少需要有10 mm寬度的平面。

3 方法驗(yàn)證

某電廠1000 MW超超臨界火力發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修,對(duì)汽輪機(jī)中壓主汽門、調(diào)門螺栓進(jìn)行超聲檢測(cè),螺栓材質(zhì)為Inconel 783,規(guī)格為M72×330和M90×390,共計(jì)88根螺栓,結(jié)合分別采用3種檢測(cè)工藝方法進(jìn)行超聲檢測(cè),共發(fā)現(xiàn)10根螺栓存在1 mm以上裂紋,現(xiàn)場檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋情況見表2。

表2 裂紋部位與檢測(cè)工藝方法的關(guān)系

在實(shí)踐檢測(cè)中發(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,橫波法和爬波法對(duì)裂紋檢出效果不明顯,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。

經(jīng)著色探傷和解剖復(fù)驗(yàn),對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的螺栓進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示超聲檢測(cè)與實(shí)際裂紋形狀完全一致。小角度縱波法能有效發(fā)現(xiàn)螺栓裂紋,檢出率優(yōu)于橫波法和爬波法,定位和定量準(zhǔn)確,而且在現(xiàn)場工作中容易掌握和使用。由于實(shí)際裂紋可能有分叉走向,探頭主聲束角度受到局限,實(shí)際探傷過程中需要適當(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。

(1) 當(dāng)螺栓端面平整,一端或兩端有大于10 mm寬度的平面且能放置探頭的情況下,均應(yīng)優(yōu)先選擇小角度縱波法檢測(cè)。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。

(2) 當(dāng)螺栓不平整時(shí),可采用k=1.7橫波探頭進(jìn)行檢測(cè)；如因晶粒粗大無法有效檢測(cè)時(shí),應(yīng)選用爬波法檢測(cè),爬波法檢測(cè)時(shí)要求螺栓齒根部與光栓面高度差小于1 mm。

4 結(jié)束語

Inconel 783螺栓經(jīng)高溫運(yùn)行10000 h以上易發(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以及螺栓光桿與螺紋變徑區(qū)域。該區(qū)域應(yīng)力集中、明顯,為此類螺栓重點(diǎn)檢測(cè)部位。建議對(duì)該材質(zhì)螺栓中心孔設(shè)計(jì)進(jìn)行修正,以減少因應(yīng)力集中導(dǎo)致斷裂失效的現(xiàn)象,確保發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。