燃機過渡段螺栓原位超聲波檢測試驗

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（福建省電力有限公司 電力科學研究院，福州 350007）

某新建LNG電廠投運后陸續發現燃機過渡段螺栓斷裂脫落。為防止該種螺栓突然斷裂導致機組意外停機，電廠計劃定期對其進行超聲波探傷，及時更換已產生小裂紋的螺栓。但該種螺栓數量大，不可能在短暫的停機時間里全部拆卸下來并完成探傷工作，因此只能在不拆卸的狀態下進行超聲波探傷。

針對該種螺栓的具體結構、工作狀態及檢測條件，筆者將在合理分析的基礎上，通過試驗研究，確定一種合適的檢測方法，實現對燃機過渡段螺栓的原位超聲波探傷。

1 試驗

1.1 試驗設計

在役燃機過渡段螺栓的安裝狀態如圖1所示，具體結構及實測尺寸如圖2所示。從受力分析角度考慮，在工作狀態下，螺栓主要承受拉應力，且螺栓上存在兩處應力集中處，即圖2所示的A、B處。因此使用過程中這兩個位置最易產生垂直（或近似垂直）于螺栓軸線的裂紋（即橫向裂紋）。這一點可以從螺栓的實際斷裂情況得到印證。故筆者將著重對A、B處橫向裂紋的檢測進行研究。

圖1 燃機過渡段螺栓安裝情況及探傷位置示意圖

圖2 燃機過渡段螺栓結構示意圖

按照要求，燃機過渡段螺栓須在不拆卸的狀況下進行超聲波檢測。結合圖1所示的實際檢測條件，參考標準DL/T 694—1999《高溫緊固螺栓超聲波檢驗技術導則》以及其它相關的研究工作［1－3]，筆者計劃選用直探頭和小角度縱波探頭進行試驗研究。

由于只能從螺栓六角頭頂端進行檢測，如果A處存在橫向裂紋，小角度縱波探頭因為沒有反射條件而無法獲得裂紋的反射波（A點處小角度縱波探頭始終只能獲得螺栓六角頭下端角的反射波）。故A處橫向裂紋不采用小角度縱波探頭進行檢測。而螺栓的其余位置，理論上縱波直探頭及小角度縱波探頭均能實現對橫向裂紋的檢測。

基于上述考慮，制定如下試驗步驟：

（1）通過對比不同探頭對B處橫向裂紋的檢測情況，確定合適的探頭。

（2）采用上面確定的探頭，對圖2所示C，D處橫向裂紋檢測情況進行分析，確認該探頭是否適合螺栓上A處以外其余所有位置的檢測。

（3）通過對A處的深入分析，結合試驗情況，確定合適A處橫向裂紋檢測的探頭。

1.2 試驗設備

選用Krautkramer公司生產的USM35數字超聲波探傷儀。

根據圖2所示的螺栓實測數據，可知螺栓長51.5 mm，光桿及螺牙根部直徑為12.5 mm，故縱波小角度探頭的角度θ≤arctan（12.5/51.5），即θ≤13.6°，因此選擇以下三個探頭：5P7×12的4°縱波斜探頭、5P8×12的12°縱波斜探頭和5P6直探頭。

1.3 試樣制備

采用φ0.18 mm絲徑的線切割分別在4根燃機過渡段螺栓的A，B，C，D處（圖2）加工一條1 mm深的橫向模擬裂紋。

2 試驗結果及分析

規定下文中提到的缺陷波幅均以對應試樣的無缺陷處底波（B）為基準，表示為（B±n）dB。

2.1 B處及C，D處模擬裂紋的超聲波檢測試驗

分別利用三個探頭對試樣b進行檢測，具體結果見表1。可以看到，對于B處1 mm深模擬裂紋，直探頭基本上檢測不出來，4°探頭檢測出來的最強缺陷波比無缺陷處底波小17 dB，12°探頭檢測到的最強缺陷波比無缺陷處底波小7.5dB。很明顯，12°縱波斜探頭具有最高檢測靈敏度。故對B處的檢測確定選用5P8×12的12°縱波斜探頭。

表1 不同探頭對各試樣的檢測結果

由表1還可以看到，采用5P8×12的12°縱波斜探頭檢測時，試樣c，d中模擬裂紋最強波分別比無缺陷底波小1.5和4 dB，可見該探頭對C，D處模擬裂紋波的檢測具有足夠的靈敏度。因此結合圖2中B，C，D的位置分布，可以得到如下結論：5P8×12的12°縱波斜探頭對于該燃機過渡段螺栓上A處以外其余各處的橫向裂紋均有較高的檢測靈敏度。

2.2 A處模擬裂紋的超聲波檢測試驗

從圖2可以看到，螺栓六角頭下端面與螺桿之間形成一個小臺階，如果這個臺階的寬度小于直探頭的聲束直徑，則直探頭從六角頭頂部檢測時，將無法獲得整個聲束的反射波，而如果六角頭下端面的某處出現垂直于軸向的裂紋，那么裂紋處的臺階寬度增大，即該處被反射的聲束截面積增大，顯然該處反射波將比無缺陷處大。基于此種考慮，故使用5P6直探頭對試樣a進行檢測。

結果發現，1 mm深模擬裂紋處的反射波幅為一次臺階波＋5 dB（見圖3和4）。該結果驗證了上述分析的正確性，說明5P6直探頭能夠有效發現A點處存在的1 mm深橫向裂紋，從而彌補了小角度縱波探頭的不足。

圖3 5P6直探頭檢測時螺栓六角頭下端面無缺陷處最強臺階波顯示圖

3 結論

綜上所述，聯合使用5P8×12的12°縱波斜探頭和5P6直探頭可實現對燃機過渡段螺栓原位超聲波檢測，及時發現螺栓各個位置上可能存在的深度1 mm及以上的橫向裂紋。

圖4 5P6直探頭檢測時螺栓六角頭下端面1 mm深模擬裂紋處最強臺階波顯示圖

［1]李樹軍.底波遮擋法在螺栓超聲波探傷中的應用［J].河北電力技術，2001，1（20）：45－49.

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［3]劉英和，康泰.游樂設施高強度螺栓小角度縱波探傷［J].無損檢測，2005，2（27）：105－109.