镍基合金螺栓超声检测的典型案例

曹云峰，花喜阳，田尉建，赵福刚

(徐州电力试验中心， 徐州 221009)



镍基合金螺栓超声检测的典型案例

曹云峰，花喜阳，田尉建，赵福刚

(徐州电力试验中心， 徐州 221009)

介绍了四种常见的镍基合金螺栓超声波检测的现场案例，根据螺栓的几何尺寸、晶粒度大小、声速变化等具体情况，总结出选用具体超声检测工艺方法的依据，以确保有效检出螺栓不同部位的裂纹缺陷，对镍基合金螺栓超声波检测具有借鉴意义。

镍基合金螺栓；超声波检测；裂纹

目前我国火电超超临界机组单机容量已达到600 MW～1 000 MW，机组参数如温度和压力有很大的提高。因此一批耐高温、高强度、高合金材料(一般指合金元素质量百分数在10%以上的材料)螺栓如InconelAlloy 783、GH4169、 GH4145、 R-26被大量使用，这些螺栓在国内使用时间较短，运行中已经发生了如汽缸螺栓、汽轮机中压主汽门、中调门螺栓断裂等问题。由于这些材料的螺栓晶粒度粗大且自身结构复杂，仅采用一种超声检测方法易使裂纹漏检，笔者根据现场检测的实际情况，论述了几种螺栓的特点及其裂纹的有效检测方法，以确保螺栓不同部位的裂纹都被检出。

1 镍基合金螺栓参数

易产生裂纹的几种镍基合金螺栓的参数如表1所示[1]。

表1 易产生裂纹的镍基合金螺栓的参数

2 镍基合金螺栓检测方法

依据电力行业标准DL/T 694-2012《高温紧固螺栓超声检测技术导则》对几种镍基合金螺栓进行了超声波检测，结合螺栓的金相组织、规格尺寸、实测声速等进行了综合分析。对螺栓的齿根、中心孔壁、杆部内外壁，应分别采用小角度纵波、爬波、横波检测方法进行检测。检测前应做声速测量，螺栓声速与对比试块声速偏差不小于100 m·s-1时应作定位修正。

2.1 小角度纵波检测 根据螺栓外观尺寸和金相组织的特点，要保证螺栓丝扣根部的有效检测，一般选用频率为2.5 MHz、折射角为6°～12°的探头，再根据螺栓端面面积确定晶片尺寸。螺栓两端为平面，或一端为平面、另一端具有不小于5 mm宽度的平面时可采用小角度纵波法。探头折射角βL的大小一般根据螺栓端面面积和本侧丝扣长度来综合考虑，确保检测范围覆盖大部分螺栓丝扣。采用探头沿径向移动距离R与丝扣长度进行正切函数计算探头折射角βL，端面可移动距离R与探头折射角βL的关系如图1所示。常见规格螺栓的折射角βL与探头径向移动距离R的关系见表2。表2中带中心孔螺栓端面径向宽度不小于5 mm。

图1 端面可移动距离R与探头折射角βL的关系

螺栓规格/mm探头沿螺栓端面径向移动距离R/mmβL=6°βL=8°βL=12°本侧螺栓丝扣长度/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

小角度纵波检测的优点为：对粗晶组织不敏感，抑制粗晶材料草状杂波作用明显，能识别不小于1 mm的缺陷，能精确测定缺陷指示长度，定位定量准确；缺点为：螺栓端面至少需要不小于5 mm宽度的平台，否则无法进行有效检测。

2.2 横波检测

图2 横波检测裂纹波形示例

横波检测适用于端面为球冠型、无探头搁置平台螺栓的裂纹，以及螺栓中心孔内壁、光杆范围内外壁裂纹的检测，检测裂纹波形示例如图2所示。其优点为：根据螺栓自身齿根丝扣波高度测定检测灵敏度，无需试块，避免了声速修正。根据缺陷波后面的丝扣波缺失范围估算缺陷当量尺寸，可以测定缺陷长度并确定缺陷的性质。缺点为：对于公称直径大于100 mm的镍基高温合金螺栓，壁厚随外径增大而增加，当晶粒度为1～4级时，噪声超过30%屏高，无法分辨齿根波动态范围。

2.3 爬波检测

爬波检测法能有效减少粗晶材料中的散射衰减，当晶粒粗大导致无法采用横波检测时，应考虑采用爬波检测。爬波检测的前提条件是螺栓齿根与螺栓杆端面高度差应小于1 mm，如齿根处与螺栓杆端面高度差越大则深度越小的裂纹越难检出。齿根与螺栓杆端面高度差关系见图3，爬波检测裂纹波形示例见图4。

图3 齿根与螺栓杆端面高度差关系

图4 爬波检测裂纹波形示例

爬波检测的优点为：能显著降低草状杂波，提高信噪比和检测灵敏度，采用的是低频双晶爬波探头，始脉冲后无杂波，缺陷波型清晰，能精确测定缺陷指示长度；缺点为：对于螺栓齿根部不小于1 mm的缺陷，有效检测距离为50 mm，仅适用于螺栓第1～10丝扣的检测。爬波探头弧面要与螺栓光杆面接触吻合，否则将导致噪声升高，小裂纹检出能力下降。

3 典型镍基合金螺栓裂纹的现场检测

3.1 GH4169汽轮机内缸螺栓检测

某发电厂1 000 MW机组汽缸螺栓规格为M155×1060 mm，带有中心孔两端为平面，齿根部与光杆高度差小于1 mm，螺栓金相组织粗大，晶粒度为1～3级，金相组织形貌见图5。

图5 GH4169螺栓金相组织形貌 (200×)

第一步采用爬波检测，爬波波束在螺栓表面呈85度折射并未发现缺陷波，但在12～15丝扣处发现连续缺陷可疑信号，缺陷反射波波幅低于1 mm 模拟裂纹反射当量，指示长度为150 mm,怀疑为内部缺陷；第二步采用横波法复验，由于晶粒粗大,横波检测噪声为40%屏高，丝扣波不能呈现指数衰减型波形；第三步采用探头频率为2.5 MHz、晶片尺寸为13 mm×13 mm的小角度纵波探头检测，发现内部中心孔处较强裂纹回波反射，实测指示长度为150 mm，解剖发现裂纹位于距退刀槽第12～15丝扣处,裂纹长度为162 mm，裂纹外观及波形见图6，7。

图6 GH4169螺栓解剖裂纹外观

图7 小角度纵波检测GH4169螺栓裂纹波形

3.2 R-26汽缸螺栓检测

螺栓两端为平面，规格为M50×386 mm，两侧丝扣中间有定位凸台，带有中心孔，螺栓金相组织为奥氏体，晶粒度为4～5级。采用小角度纵波检测，探头频率为2.5 MHz、晶片尺寸为13×13 mm、入射角度为4°，检测区域为螺栓丝扣、定位凸台与螺杆的圆弧过渡区域。

采用小角度纵波法检测螺栓两端丝扣，均未发现裂纹，但在检测时发现螺栓中间光杆部分局部有微弱反射信号，可疑信号反射量低于屏高30%，考虑此处为小角度纵波的扩散波束扫查到光杆R弧处出现的缺陷。当采用爬波法复验光杆部分时发现R弧处的周向裂纹，裂纹外观及反射波形见图8，后用渗透检测方法证实该处为裂纹。

图8 R-26螺栓外壁裂纹外观和检测波形

3.3 GH4145高压静叶持环螺栓检测 某电厂超临界机组高压静叶持环螺栓规格为M95×485 mm，金相组织为奥氏体，晶粒度2～3级。其一端为平面，直接采用小角度纵波法检测，未发现缺陷；另一端为球冠侧，无法放置小角度纵波探头。改用频率为2.5 MHz、 晶片尺寸为13 mm×13 mm、 弧度为φ100 mm的横波探头在螺栓第13～14丝扣根部发现裂纹反射波,且与螺栓轴线垂直, 解剖后可见裂纹源自丝扣根部，解剖裂纹外观见图9，横波检测裂纹处缺失波形见图10。

图9 GH4145螺栓解剖裂纹外观

图10 横波检测GH4145螺栓裂纹处缺失波形

3.4 Inconel Alloy783汽轮机中调门螺栓检测 用于超超临界机组的Alloy783螺栓规格为M72×330 mm，由于多家电厂中压调门、中压主汽门螺栓发生断裂，需要在电厂停机检修时进行重点检测。

螺栓中心孔为非通孔，两端面均为平面，金相组织均匀，晶粒度5～6级。采用小角度纵波检测，选用2.5 MHz、晶片尺寸13 mm×13 mm、入射角4°探头，检测到5～7丝扣齿根部出现疑似缺陷信号，指示长度(根据探头移动距离测定的缺陷长度)为3/4圆周，探头转向中心孔内壁扫查时发现内孔周边呈现不连续的缺陷反射信号，反射波形见图11，Alloy783螺栓裂纹外观见图12。

图11 小角度纵波检测Alloy 783螺栓裂纹波形

图12 Alloy783螺栓裂纹外观

4 结语

(1) 小角度纵波对粗晶不敏感，能抵御晶界散射，抗干扰能力强，能有效区分中心孔内壁和丝扣根部不小于1 mm深裂纹及裂纹指示长度。凡在螺栓一侧或两侧有平面可以放置探头的情况下，均应优先选择小角度纵波检测方法。

(2) 当螺栓另一侧无法放置小角度纵波斜探头时，可采用k为1.7的横波探头进行检测，如噪声影响无法有效检测时可采用爬波法检测。

(3) 螺栓齿根部与螺栓杆端面高度差小于1 mm时才可采用爬波法检测。

(4) Inconel Alloy783螺栓经高温运行1～2万h后均有不同程度的断裂失效，调门螺栓裂纹多位于距中心未通孔末端5～15 mm区域，可见该处为应力集中区，应加强对这类螺栓的定期检测，建议制造厂对螺栓内孔布置进行修改，避免因结构不合理导至其断裂失效。

[1] 王维东，魏忠瑞，韩玉峰，等.镍基高温合金紧固螺栓的超声波探伤工艺[J].无损检测，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，高级工程师， 主要从事火电厂无损检测工作。

曹云峰，E-mail：704498235@qq.com。

TG115.28

B

1000-6656(2016)11-0079-04