火力發電廠高溫緊固螺栓的在役超聲波檢測

霍 彥,呂勝軍

(東北電力科學研究院,沈陽 110006)

帶有加熱孔的高溫緊固螺栓是火力發電廠汽輪機上下缸、主汽門、調速汽門密合的重要部件。在長期運行中,由于高溫及高應力的作用,螺栓材料易產生熱脆、蠕變、疲勞和應力腐蝕;由于安裝中預緊力過高及不慎燒傷中心孔等原因,螺栓材料易產生裂紋[1]。隨著機組運行時間的增加,螺栓出現裂紋的幾率不斷增大,如果在例行檢查中,對微小裂紋能及時檢出,無疑對機組的安全運行具有重要意義。

1 問題的提出

火電廠汽輪機檢修中,在機組解體后發現螺栓的斷裂現象已屢見不鮮。例如,某電廠2號機組高壓調速氣門12根螺栓在解體后發現已斷裂了5根。特別是近年來隨著機組大修周期的延長和動態檢修,此類問題就更顯突出。從高溫緊固螺栓斷裂的原因分析上,排除金屬材料的因素外,很大原因是在熱緊后和運行中產生裂紋并導致斷裂。而恰恰是在熱緊后和在役中已無法再進行檢驗和監督。另外,由于多方面的原因,在過去的檢驗方法上也存在某些局限性：

(1)有加熱孔的螺栓直探頭單側探傷時,在螺栓對側檢驗時靈敏度不夠,只能以本側為主。

(2)有的螺栓光桿部分比較短,栽絲側橫波輔助探傷二次波探測范圍不夠,所以栽絲側只能靠縱波檢測大裂紋甚至無法檢測,而且橫波輔助探傷在原則上是要求螺栓拆卸后進行。

(3)有的螺栓端頭為球冠型,直探頭根本無法放置,有的帶加熱孔螺栓的探測面窄小,接觸不好,影響探傷靈敏度和探傷效果。

(4)現場有很多情況下螺栓無法卸下,由于結構原因使用輔助橫波探傷無法實施。螺栓拆下探傷一是栽絲部分需要機加工,二是拆卸工作量太大,有的也不切實際,根本卸不下來。

(5)帶罩帽栽絲螺栓上部分應力集中區在罩帽結合面處(上部分螺紋中間)檢測受到限制。

因此,尋找一種新的檢測方法以彌補其不足是非常必要的,尤其是在熱緊后和在役中實現對高溫緊固螺栓的動態檢測監督是非常有意義的。

2 解決的辦法

根據螺栓的實際結構,利用其加熱孔進行橫波探傷。在螺栓應力集中區容易產生裂紋的部位很容易得到檢測,即使螺栓不卸下或者帶罩帽也能進行探傷,而且整根螺栓基本上得到全部檢測。

2.1 探傷原理

同種螺栓螺紋的型式都是一樣的,它們對超聲波的反射條件也基本相同。當超聲波入射到螺紋處時,在熒光屏上顯現的螺紋波具有一定的特征。若某處螺紋存在裂紋,則將改變螺紋波的這種特征,試驗證明觀察這些特征變化可以來判斷有無裂紋。試驗中發現絲扣處并不會引起模擬裂紋反射;但如果有裂紋存在,裂紋截面將遮擋其后的第一齒波,使齒波波高比正常位置的齒波波高明顯降低。根據該絲扣處波高被遮擋而引起下降的程度,可以判斷裂紋的大小。如果裂紋較嚴重,隨著裂紋截面的增加,不但螺栓裂紋后第一齒波會明顯下降,第二齒波,甚至第三齒波也會造成不同程度的下降,據此可以對裂紋進行基本定量(圖1)。

2.2 探頭

根據不同的加熱孔徑選擇不同大小的專用探頭。螺栓內孔檢驗宜采用較高頻率的探頭,以使螺紋回波清晰、陡直。K值選擇是關鍵,探頭的主聲束應切過螺紋根部且與其后旋合面垂直,此時螺紋反射波最強,裂紋對螺紋反射波的遮擋最明顯。因螺栓絲扣的模數決定了絲扣反射角度,要使螺栓齒波得到全反射,根據不同直徑螺栓的實際測定,理想的探頭折射角度應為 56°～63°,試驗采用K1.5～K2.0的探頭試驗證明,＜M100的螺栓宜采用K＞1.7的探頭,＞M100螺栓采用K＜1.7的探頭。遮擋效果基本相同,靈敏度高。

2.3 試塊

按照DL/T694—1999標準[2],以SL-Ⅱ螺栓專用試塊對儀器探頭組合性能進行測定。確定探頭前沿、折射角度以及掃描速度的調整等。以退役舊螺栓加工成對比試塊(線切割),模擬裂紋進行測試,實測證明在內孔采用橫波掃查時,當螺栓出現裂紋時,只要發現絲扣波有被遮擋而引起波高降低,出現斷檔時,根據螺紋波與裂紋后第一絲扣波的信號比(≥6dB)來判斷,該方法能發現≥1mm裂紋。

3 實際應用

3.1 探頭入射點及探頭前沿長度的測定

將探頭置于SL-Ⅱ試塊上,找到R50或R25圓弧面反射回波最強點,測量探頭前沿到試塊端頭的距離L1,則探頭前沿長度L0=50-L1(或L0=25-L1)。由于探頭有圓弧面,可用稠一些的耦合劑。

3.2 探頭K值和折射角β的測定

將探頭置于SL-Ⅰ型試塊上找到 φ1mm×20mm橫通孔反射波最高點,測量探頭前沿到試塊端頭距離L2,則探頭K=(L2+L0-40)÷20,探頭的折射角β=arctgK。

3.3 掃描速度的調整

根據被探螺栓的壁厚,可以在試塊上或螺栓上調整掃描速度。在試塊上可以根據探頭的折射角β,首先計算出 50sinβ和 25sinβ值。然后將探頭置于SL-Ⅱ試塊上,分別找出R50,R25圓弧面反射波最高點,并將該兩點最強反射波分別置于熒光屏50sinβ和25sinβ處。為充分利用熒光屏,用延遲功能將前面一段不需要觀察的聲程移到屏外,使熒光屏上所代表的聲程范圍剛好能顯示欲觀察的反射信號。如在被探螺栓上調,可同樣能觀察到第一、二次反射波即可。

3.4 探傷靈敏度的調整

螺栓產生裂紋的部位一般是在栽絲結合面附近,罩帽結合面附近,退刀槽附近一、二、三扣螺紋根部。因此在螺栓橫波檢驗中,靈敏度的調整應根據所檢測的部位不同,分別將一、二、三扣的螺紋最強反射波調節到熒光屏的60%高,以此作為探測一、二、三扣螺紋根部裂紋的探傷靈敏度。直接在螺栓上調節靈敏度的優點是：消除了試塊與工件曲率半徑和表面光潔度不同而造成的靈敏度補償問題。

3.5 探頭掃查方式和裂紋判斷方法

探頭在探測孔內沿軸向前后移動,并作適當轉動。從熒光屏上可以觀察到整齊的螺紋反射波。當探測螺栓第一扣螺紋根部裂紋時,在螺栓無裂紋處找到第一扣螺栓最高波,調整好探傷靈敏度。探頭沿內孔作周向移動,并沿軸向作小范圍(約3mm范圍)前后移動,觀察第二扣螺紋波是否明顯降低或消失(即第一扣螺紋波與第三扣螺紋波之間是否缺波)。若螺紋排列整齊有序,無缺波現象,則可判斷第一扣螺紋根部沒有裂紋。若出現明顯的缺波現象,且缺波具有一定的周向指示長度,則可以判斷第一扣螺紋根部存在裂紋。第二扣、第三扣螺紋根部裂紋的探測方法與前一扣螺紋根部裂紋的探傷和判傷方法相同。裂紋周向測長采用絕對靈敏度測長法。即保持探傷靈敏度不變,探頭周向轉動,被遮擋螺紋波低于2格高時,探頭所移動的弧長,即為裂紋周向指示長度。為檢查雙頭螺紋的退刀槽處裂紋,應采用兩個方向的探頭進行探傷(圖2),并根據探頭連桿的長度進行定位。

圖2 螺栓內孔橫波探傷示意圖

采用以上方法在多家電廠的主汽門、調速汽門螺栓熱緊后和在役停機時進行探傷,多次發現了由于熱緊力不均而造成的螺栓裂紋,及時進行了更換,避免了螺栓斷裂事故。

4 結語

對于帶加熱孔的高溫緊固螺栓,在內孔進行橫波探傷,可在不拆卸螺栓帶罩帽的情況下,對螺栓進行幾乎全長度的探傷,實現了熱緊后或在役停機時的檢測。實踐證明該方法切實可行,彌補了以前探傷方法的不足,使螺栓的監督檢驗方法得到了進一步的完善。填補了火力發電廠高溫緊固螺栓在役超聲波檢驗方法的空白,對機組安全運行提供了進一步的保證。

[1]莊肖曾,俞畫屏,顏家珍.電廠金屬與金屬監督[M].北京：中國電力出版社,1999：218-202.

[2]DL/T694—1999 高溫緊固螺栓超聲波檢驗技術導則[S].