超聲波探傷在風電緊固件產品中的應用

胡紹鑫，余成華，趙冠興

（江蘇中成緊固技術發展股份有限公司，江蘇 鹽城224400）

風電用高強度緊固件長期服役于野外，環境惡劣，運維更換成本較高，在常年連續工作情況下，風電緊固件要求必須保證20年以上的使用壽命，對風電緊固件的產品質量提出了較高的要求[1]。風電緊固件一般包括基礎錨栓、塔筒連接螺栓、葉片螺栓和機艙螺栓，設計院根據地質勘測、風機載荷、使用壽命等進行設計計算，確定緊固件使用規格、數量和力學性能等級，一般采用8.8或10.9級高強度螺栓連接。超聲波探傷在風電緊固產品中的應用，可有效的發現緊固件產品的內部和近表面缺陷，降低因缺陷導致的斷裂。

1 超聲波探傷原理

超聲波探傷儀產生高頻周期性脈沖信號，通過探頭入射到產品內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。零件內無缺陷時，超聲波遇到零件表面和底面發生反射，在顯示器上分別顯示出始波T和底波B；零件內有缺陷時，除了顯示始波、底波外，還在始波和底波之間出現缺陷波F，通過缺陷波F到底波距離和波幅高度，即可判斷缺陷在零件中位置和大小[2]。

圖1 超聲探傷示意圖t

工業生產一般采用自動探傷即多通道探傷設備，每一個通道相當于一臺單通道探傷儀，可有效提高探傷速度，一般由直探頭通道和斜探頭通道組合應用，如圖1所示，棒材直線前進，在縱向上覆蓋（端部盲區除外），探頭繞著棒材360度旋轉，在橫截面上覆蓋，從而保證了整支棒材探傷全覆蓋, 直探頭探內部缺陷，斜探頭探表面及近表面缺陷。

2 緊固件產品中的缺陷分類

根據目前緊固件產品批量探傷的情況，把超聲波探傷發現的缺陷可分為兩大類，即表面缺陷和內部缺陷。表面缺陷包括表面裂紋、折疊、劃傷、凹坑和結疤等[3]，內部缺陷包括裂紋、縮孔和大尺寸夾雜物等。

2.1 表面裂紋

表面裂紋一般在連鑄或軋制過程中產生，產生的原因較多，如鑄坯皮下夾雜、皮下氣泡、鑄坯冷卻矯直不當、軋制溫度太低等，都會產生裂紋，軋材表面裂紋經熱處理后裂紋兩邊出現脫碳，如圖2（a）所示。一種是熱處理過程中發生的淬火開裂，裂紋從表面擴展有沿晶開裂特征，且無脫碳層，如圖2（b）所示。

2.2 劃傷

沿軋制方向上縱向的細長凹下缺陷，其形狀和深淺、寬窄隨產生的原因不同而異，如圖2（c）。一般鋼材在軋制輥道傳輸過程中，容易與導板或導板上的異物發生摩擦損傷，從而造成鋼材表面劃傷。

2.3 折疊

在軋制過程中產生的飛邊、毛刺、皺折和尖銳棱角等，在繼續軋制時壓入金屬內部，則形成折疊[4]。沿軋制方向與鋼材表面有一定傾斜角、近似裂紋的缺陷，一般呈直線狀，也有鋸齒狀，出現在鋼材的局部或全長，深淺不一，內有氧化鐵皮，有時也呈舌狀，有規律連續分布在鋼材表面上，如圖2（d）所示。

2.4 內部裂紋

在鋼材的內部出現裂紋的現象如圖2（e），其產生的原因較多，例如：鋼液在凝固過程中產生的內應力可能引起裂紋；緩冷過程中坯料的內外冷卻速度相差較大，可能產生裂紋；鋼中殘留的大尺寸夾雜物，在軋制過程中變形不均勻可能產生裂紋[5]。坯料中有些較小的內裂紋未接觸空氣，內壁未氧化，熱加工時采用大壓縮比可能被焊合。

2.5 縮孔

Engstrom[6]和Raihel[7]等認為縮孔的形成是由于鑄坯在凝固過程中，柱狀晶過于發達而產生“搭橋”現象，“橋”下面的液相轉變為固相時發生的體積收縮和鑄坯向外傳熱使鑄坯中心已凝固部位繼續冷卻產生的體積收縮，不能被鋼液補充所引起。鋼種的凝固收縮越大，縮孔產生的機率越大，鑄坯中的縮孔如在熱加工過程中未焊合，則保留在鋼材中。

圖2 鋼材中缺陷

2.6 大尺寸夾雜物

非金屬夾雜物是鋼中必然存在的產物，鋼件中大量存在的小尺寸非金屬夾雜物對鋼的性能基本上是沒有影響的[8]，然而大尺寸夾雜物會嚴重惡化鋼件的機械加工和服役性能，嚴重的導致鋼件突然斷裂，發生災難性后果。大尺寸夾雜主要來源，冶煉過程中的脫氧產物及澆注過程中產生二次氧化物[9]，在鋼液中未能有效上浮，殘留于鋼材中，如圖3所示。

圖3 鋼材中大尺寸夾雜物

3 超聲波探傷在緊固件產品中應用與分析

隨著風電行業的不斷發展，各大主機廠商制定了風電緊固件產品技術規范，緊固件產品一般選用GB/T4162《鍛軋鋼棒超聲檢測方法》中A級或EN 10308《非破壞性試驗-鋼棒超聲波試驗》中class4級探傷合格的鋼材，經過熱處理后機加工成型，在表面處理前進行磁粉探傷。經過批量的生產發現，按GB/T4162標準A級探傷合格的鋼材，經過調質處理后復探，存在不滿足A級探傷要求的鋼材。符合GB/T4162標準A級的探傷鋼材，內部和表面可能存在不超標準要求的缺陷（近表面缺陷、內部缺陷、表面缺陷等），在淬火處理時，加熱奧氏體化的鋼材急速冷卻至室溫，組織發生了快速轉變，鋼材內部產生一定的內應力，內應力遇到缺陷會聚集并釋放，可能造成缺陷的擴展，缺陷的尺寸可能會超出探傷標準要求。在生產過程中，對有缺陷但未超標準的一支鋼材進行了跟蹤試驗，缺陷波位置如圖4（a），經過淬火加回火處理后復探，在同一位置的缺陷已擴展，超出標準要求如圖4（b），因此鋼材經過熱處理后探傷才能更好的管控產品質量。

圖4 超聲波探傷

4 結論

探傷合格的原材料，經過調質處理后，鋼材中未超探傷標準要求的缺陷可能被放大，復探后達不到該標準要求，因此建議風電用高強度緊固件鋼，熱處理后進行探傷，可有效的發現緊鋼材內部和近表面缺陷，降低緊固件產品因缺陷導致的疲勞斷裂。