王維東，魏忠瑞，韓玉峰

（1.徐州電力試驗(yàn)中心，徐州 221009；2.山東瑞祥模具有限公司，濟(jì)寧 272400）

隨著國(guó)內(nèi)超臨界、超超臨界火電機(jī)組發(fā)展迅速，火力發(fā)電廠機(jī)組額定參數(shù)從亞臨界22MPa／538℃（螺栓運(yùn)行中能承受的最高溫度，下同），超臨界機(jī)組24MPa／560℃，到超超臨界機(jī)組31MPa／600℃，耐高溫、高強(qiáng)度、抗疲勞性能優(yōu)良的新材料如鎳基高溫合金及馬氏體鋼螺栓被廣泛應(yīng)用，如改型12%Cr鋼1Cr10NiMoW2VNbN，鎳基高溫合金InconelAlloy 783，GH4169，GH4145鎳鉻鈷基高溫合金R－26等，這類(lèi)螺栓材料和加工圖紙均是從國(guó)外進(jìn)口引進(jìn)，原電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 694—1999《高溫緊固螺栓超聲波檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》檢測(cè)范圍僅覆蓋亞臨界機(jī)組低合金鋼螺栓，因此，必須探討新的檢測(cè)工藝方法對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。筆者對(duì)鎳基高溫合金緊固螺栓的超聲波探傷工藝進(jìn)行了分析。

1 引進(jìn)型螺栓

引進(jìn)型螺栓的部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 引進(jìn)螺栓鋼種及其參數(shù)

2 超聲檢測(cè)工藝

2.1 專(zhuān)用試塊的制作

試塊材料均為20號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，按圖1所示布置5個(gè)不同深度的φ1mm橫通孔，圖2模擬裂紋為環(huán)形等深槽，試塊共8個(gè)探頭擱置面，每個(gè)面均布置2個(gè)槽，槽深分別為2，1mm。

圖1 小角度縱波對(duì)比試塊（LS－Ⅰ）示意圖

圖2 爬波檢測(cè)對(duì)比試塊（LS－Ⅱ）示意圖

2.2 檢測(cè)工藝

2.2.1 螺栓聲速測(cè)定

鎳基高溫合金及馬氏體鋼螺栓超聲檢測(cè)前應(yīng)做聲速測(cè)量，如螺栓聲速與對(duì)比試塊聲速偏差不小于100m／s時(shí)，可作定位修正。

聲速測(cè)定前應(yīng)測(cè)量螺栓尺寸。用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量螺栓外徑尺寸，用內(nèi)徑量表測(cè)量螺栓內(nèi)徑尺寸，并將壁厚值輸入儀器。采用5MHzφ10mm直探頭，調(diào)整儀器，分別將一、二次底波調(diào)節(jié)到80%屏高，并將回波限制在閘門(mén)內(nèi)，讀出聲速值。

2.2.2 定位修正

螺栓裂紋反射波在儀器橫坐標(biāo)上的實(shí)際讀數(shù)（hA值）按式（1）計(jì)算：

式中：cA為超聲波在螺栓中的縱波聲速；cC為超聲波在對(duì)比試塊中的縱波聲速（取5 900m／s）；XA為螺栓裂紋波的指示值。

2.2.3 檢測(cè)范圍

有中心孔螺栓：檢測(cè)區(qū)域應(yīng)覆蓋螺栓的全體積，并關(guān)注應(yīng)力集中部位，如接合面附近一至三道螺紋根部，螺栓中心孔內(nèi)壁高溫加熱區(qū)，螺栓光桿內(nèi)外壁以及非全通孔螺栓中心孔的底部。如圖3（a）所示。

無(wú)中心孔螺栓：從一側(cè)端面一次掃查本側(cè)與對(duì)側(cè)，如圖3（b）所示，當(dāng)螺栓總長(zhǎng)度不小于400mm，對(duì)側(cè)檢測(cè)長(zhǎng)度大于250mm時(shí)不在對(duì)側(cè)檢測(cè)。

圖3 有無(wú)中心孔螺栓的掃查方式示意圖

2.3 小角度縱波檢測(cè)

小角度縱波法適用于端面掃查，探頭頻率為2.5MHz，根據(jù)端面面積和絲扣長(zhǎng)度確定探頭折射角范圍，入射角βL為6°～12°，螺栓規(guī)格為＜M56，M56～M100，＞M100時(shí)，探頭晶片尺寸分別為9mm×12mm，13mm×13mm，18mm×18mm。

2.3.1 掃描速度調(diào)整

采用LS－Ⅰ試塊，按深度定位法調(diào)整，依據(jù)螺栓（螺紋）長(zhǎng)度確定，最大檢測(cè)范圍應(yīng)達(dá)到時(shí)基線滿(mǎn)刻度的80%。

2.3.2 檢測(cè)靈敏度

將LS－Ⅰ試塊上與被檢螺栓最遠(yuǎn)端螺紋距離相近的φ1mm橫孔的最高反射波，調(diào)整到80%屏高作為基準(zhǔn)靈敏度，再根據(jù)表2選擇檢測(cè)靈敏度。

表2 小角度縱波檢測(cè)靈敏度選擇

2.3.3 螺栓端面掃查方式

端面掃查方式見(jiàn)圖4（a），裂紋波形見(jiàn)圖4（b）。

2.4 橫波檢測(cè)

橫波主要適用于端面無(wú)法放置小角度縱波斜探頭的螺栓及其它手段無(wú)法檢測(cè)的螺栓光栓表面和中心孔內(nèi)壁裂紋等的檢測(cè)。探頭折射角采用聲束與螺齒側(cè)面相互垂直的折射角即K 值1.7，頻率為2.5MHz。螺栓規(guī)格為 M32～M100，＞M100時(shí)，晶片尺寸分別為13mm×13mm，18mm×18mm。

圖4 端面掃查方式示意圖及裂紋波形

2.4.1 檢測(cè)靈敏度

（1）以螺栓的螺紋反射波來(lái)調(diào)整檢測(cè)靈敏度。調(diào)整方法：前后移動(dòng)探頭，找到檢測(cè)部位的螺紋反射波，一般應(yīng)出現(xiàn)4～6個(gè)螺紋波，且無(wú)明顯雜波，然后將螺紋反射波調(diào)到60%的屏高。如果此時(shí)雜波高度達(dá)到20%屏高且無(wú)法清晰識(shí)別螺紋波動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)采用爬波檢測(cè)。

（2）檢測(cè)螺栓光桿處表面或中心孔內(nèi)壁裂紋采用LS－1試塊調(diào)整，方法是：將探頭置于試塊上，找到與被檢螺栓檢測(cè)范圍相近的φ1mm橫孔反射波，調(diào)至60%屏高增益6dB。

2.4.2 螺紋根部處裂紋波的識(shí)別

當(dāng)螺栓某個(gè)螺紋根部處出現(xiàn)裂紋時(shí)，其后鄰近的第1個(gè)螺紋反射波可能被裂紋遮擋；裂紋較大時(shí)，第2，3個(gè)螺紋波也將被遮擋。如發(fā)現(xiàn)缺陷的反射波幅與其后的第1螺紋反射波幅之差不小于6dB，且指示長(zhǎng)度不小于10mm時(shí)即可判定為裂紋，如圖5所示。

圖5 橫波檢測(cè)時(shí)的裂紋識(shí)別

2.4.3 缺陷指示長(zhǎng)度的測(cè)定

將探頭置于螺栓的光桿部位，沿外圓周向及軸向前后移動(dòng)，繞螺栓掃查一周，當(dāng)被遮擋的螺紋反射波上升到與正常螺紋波相同高度時(shí)，此間探頭所移動(dòng)的距離即為缺陷的指示長(zhǎng)度。內(nèi)孔缺陷檢測(cè)采用φ1mm橫孔調(diào)整，指示長(zhǎng)度以半波高度法測(cè)定。

2.5 爬波檢測(cè)

爬波檢測(cè)法對(duì)粗晶不敏感，當(dāng)晶粒粗大無(wú)法采用橫波檢測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮采用爬波檢測(cè)。但前提條件是，螺栓齒根距光栓面高度應(yīng)小于1mm，檢測(cè)條件如圖6所示。

圖6 螺栓齒跟距光栓面高度示意圖

采用2.5MHz并聯(lián)式爬波探頭，根據(jù)螺栓的規(guī)格選擇探頭晶片尺寸與曲面直徑；參考被檢螺栓外徑的變化選擇探頭弧面直徑，外徑每變化20 mm，探頭弧面直徑變化一檔，見(jiàn)表3。

表3 爬波探頭晶片尺寸與曲面直徑的選擇

2.5.1 檢測(cè)靈敏度

探頭置于LS－Ⅱ試塊上，找出距探頭前沿5mm，深度1mm的模擬裂紋反射波，調(diào)整到80%屏高，增益6dB作為基準(zhǔn)靈敏度。當(dāng)缺陷波高不小于深1mm模擬裂紋波高時(shí)，采用半波高度（6dB）法對(duì)缺陷指示長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)指示長(zhǎng)度不小于10mm應(yīng)判定為裂紋。

2.5.2 探頭位置及掃查方式

將探頭置于螺栓光桿部位，探頭前沿距第一道螺紋槽5mm左右，沿螺栓周向進(jìn)行掃查，如圖7所示。

圖7 爬波掃查位置及裂紋波形示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）由于粗晶對(duì)小角度縱波檢測(cè)基本無(wú)噪聲干擾，靈敏度高于縱波直探頭6～8dB，并能對(duì)缺陷指示長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)定，故應(yīng)首選小角度縱波檢測(cè)；可采用小角度縱波檢測(cè)的不小于φ32mm的鎳基高溫合金及馬氏體鋼螺栓占受檢螺栓總量的80%。

（2）當(dāng)螺栓對(duì)稱(chēng)側(cè)無(wú)法放置小角度縱波探頭檢測(cè)時(shí)，可采用橫波檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度采用自身螺紋進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)需聲速修正。但前提是能搜索到4～6個(gè)絲扣波，且無(wú)明顯噪聲；如噪聲增高到20%且無(wú)法清晰分辨正常絲扣波時(shí)，則無(wú)法采用橫波檢測(cè)。

（3）爬波法對(duì)粗晶不敏感，因此當(dāng)晶粒粗大無(wú)法采用橫波檢測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮采用爬波檢測(cè)。但前提條件是，螺栓齒根距光栓面高度小于1mm。

（4）應(yīng)區(qū)別因螺栓結(jié)構(gòu)、形狀、檢測(cè)方法不同而產(chǎn)生的變形波以及螺栓頂針孔造成的雜波等偽信號(hào)。

（5）對(duì)于不足以判定為裂紋的信號(hào)應(yīng)作好記錄，并記錄該螺栓的固有編號(hào)和安裝位置，便于跟蹤復(fù)查。

4 結(jié)語(yǔ)

在研制專(zhuān)用試塊及探頭的基礎(chǔ)上對(duì)檢測(cè)工藝方法進(jìn)行了三種不同波型試驗(yàn)，解決了在役鎳基高溫合金及馬氏體不銹鋼螺栓無(wú)有效檢測(cè)方法的難點(diǎn)，主體工藝方法已收入中華人民共和國(guó)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》。