高強螺栓螺紋根部疲勞裂紋的磁粉檢測方法研究

薛明昭

茂名威特檢測技術有限公司 廣東茂名 525011

高強螺栓廣泛應用于石油化工行業，具有高強度、承受高應力和長時間服役的特點，為保證使用安全，經常需要對螺栓進行檢測。國內對螺栓檢測主要采用超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測等方法。電力行業在2000年出臺了高溫緊固螺栓超聲波檢測技術導則，但因對螺紋牙根部的疲勞裂紋的檢出率很低而難以推廣。對高強螺栓來說，最易產生疲勞的部位是靠近螺柱中部的第1、2、3圈螺紋根部，這些部位目前尚無成熟的檢測方法。

1 疲勞裂紋產生機理

若材料上某一點或多點產生了應力應變，在經歷足夠次數的變化之后，最終會產生裂紋或者完全斷裂，其結構發生漸進且永久變化的過程，美國材料試驗學會把這種不可逆的過程稱為疲勞。由此可見，疲勞產生的根源是應力集中。應力集中是固體局部應力顯著增大的一種現象，一般在孔洞、夾角、缺口、溝槽以及有鋼性約束的部位出現，會因此萌生裂紋甚至導致脆性材料斷裂。

高強螺栓的螺桿上存在著螺紋，相當于形成了缺口，應力在螺紋根部，由于截面突變形成應力集中，對容器的高強螺栓來說還同時受到殼體的鋼性約束和壓力的變化以及長時間服役，更是加劇了應力集中現象，容易產生疲勞。石油化工行業的高壓、超高壓設備，最易產生疲勞的部位是靠近螺栓中部的第1、2、3圈螺紋根部。由于長期受到軸向應力作用，疲勞裂紋的擴展方向一般垂直于螺栓軸線。

2 檢測方法選擇

高強螺栓的疲勞裂紋呈細紋瓷狀，位于螺紋根部，由于缺陷細微、位置特殊，給檢測帶來了一定的難度。對有關文獻介紹的手工超聲波、相控陣和熒光滲透等檢測方法，茂名威特檢測技術有限公司進行了逐一試驗，但檢測效果都不理想。因為結構特殊，對超聲波檢測方法來說，缺陷反射波和螺紋反射波的位置過于接近，雜波很多，以至無法分辨；對滲透檢測來說，滲透之后的清洗工作難以掌握，清洗不足偽顯示過多，清洗過度則無法檢出缺陷。經過反復試驗，決定采用熒光磁粉檢測方法，并摸索出了專用工藝，檢出效果較為理想。

3 熒光磁粉檢測方法

3.1 濕法熒光磁粉檢測

以水為載體制作磁懸液，配制濃度為0.7～0.8g/L，用澆法。

3.2 連續法

磁化時間1～3s，磁懸液的施加和磁痕顯示的觀察在磁化通電時間內完成，且停施磁懸液至少1s后方可停止磁化。

3.3 繞電纜法

產生平行于螺栓軸線的磁場，螺紋根部的疲勞裂紋切割磁力線。以φ76×630的螺栓為例，線圈匝數N=5，則磁化電流（I）的計算公式見式（1）。電流可有±10%的浮動。

3.4 靈敏度試片選用C8/50型小試片

為了驗證系統的靈敏度，在螺栓中部距離第1圈螺紋5mm處，加工一條寬10mm、深3mm的環狀帶，以驗證螺紋根部的磁化效果。詳見圖1。

圖1 系統靈敏度驗證布置示意圖

3.5 人工缺陷制作

如圖 1所示，在第 1、2、3圈螺紋根部處，用0.1mm的鉬絲分別切割深度為0.5mm、1.0mm、1.5mm的人工缺陷，長度均為8mm。

3.6 分段檢測

由于螺紋和螺紋上的加工刻痕也切割磁力線，很容易形成磁痕堆積而導致無法檢測。經過多次實驗，發現采用分段檢測的方法最為理想。具體做法是：在螺栓的端面畫出內接六邊形（圖2），并保證內接六邊形的兩條邊垂直于地面，這兩條邊對應的弓形圓周為一次檢測區域；磁懸液從內接六邊形頂點上方澆出，每次磁化可檢測兩個弓形圓周區域，3次磁化可檢測完整個圓周。

圖2 分段檢測示意圖

如圖 2 所示，A｛B 與D｛E 、B｛C 與E｛F 一次磁化，F｛A與C｛D一次磁化。當AB與DE和地面垂直時，A｛B和D｛E上的非相關顯示大大減少。在熒光燈下觀察時，發現A｛B和C｛D上的磁痕堆積明顯減少，位于螺紋根部的人工缺陷發出醒目的黃綠色，磁痕顯示非常清晰，不必使用放大鏡就可觀察到。詳見圖3。

圖3 熒光燈下螺紋根部人工缺陷的磁痕對比（左圖，不分段檢測；右圖，分段檢測）

可見，采用分段檢測的方法，很好地解決了磁粉堆積問題，可以保證螺紋根部疲勞裂紋的有效檢出。

從圖3的分段檢測圖可以看出，設置的3個人工缺陷的磁痕顯示非常明顯，都能有效檢出，檢出率為100%。

3.7 退磁

因為高強螺栓帶有磁性，會吸附鐵磁性顆粒，可能會引起銹蝕或腐蝕。因此，磁粉檢測結束后，必須進行退磁處理。只要把纏繞在螺栓上的電纜中的電流逐漸減小至零即可。

3.8 專用工藝

表1 高強螺栓疲勞檢測專用工藝卡

為了便于工作，更好地指導實踐，特制作了專用工藝卡（表 1）。

4 結束語

采用熒光磁粉分段檢測法對柴油加氫反應器螺栓的螺紋進行檢測，結果發現，按照給出的專用工藝檢出的效果很好，可清晰區分相關顯示和非相關顯示，能有效檢出缺陷。檢測時要特別注意弓形檢測面的弦應盡量垂直于地面，磁懸液濃度要適當，確保在檢測面上不會形成磁粉堆積，才能保證檢測質量。通過檢測，可以避免高強螺栓帶傷工作，為石油化工裝置安全運行提供保障。