鎳基合金螺栓超聲檢測工藝

曹云峰，李建勇，田尉建，花喜陽

(1. 徐州電力試驗中心，江蘇 徐州 221009；2. 中國廣核新能源控股有限公司，上海 200241)

0 前言

隨著國內超超臨界火電機組的迅猛發展,一批耐高溫、高強度、抗疲勞性能較好的高合金材料被廣泛使用,如奧氏體(鎳基高溫合金) GH4169,GH4145,Inconel 783等合金螺栓。然而,由于這類材料在國內應用時間較短,多個電廠超超臨界機組曾因汽輪機中壓主汽門、中調門等部件的螺栓發生斷裂造成機組非計劃停機,嚴重影響發電機組的安全運行。此類螺栓為非全通中心孔結構,幾何形狀復雜,僅采用一種超聲波檢測工藝不能很好地檢測出裂紋等危害性缺陷,故結合現場實際檢測情況,分析探討幾種檢測方法的有效性。

1 鎳基合金螺栓常見材質

目前,國內超超臨界火電機組發電設備主要采用三菱、東芝和西門子公司的設備技術,其鎳基合金螺栓材質主要有Inconel 783,GH4169,GH4145,R-26等,各材質參數情況見表1。

表1 鎳基螺栓常見材質及其參數

常見Inconel 783螺栓帶有非全通中心孔,規格有M72和M90兩種。螺栓為規則雙平面,中間直段為光桿、兩側變徑過渡至螺紋區域,螺紋根部與光桿R過渡段高度差一般不小于3 mm。Inconel 783螺栓現場金相組織為奧氏體+滲透體,一般晶粒較粗大。

2 超聲檢測工藝分析

對Inconel 783鎳基合金螺栓開展超聲檢測,依據電力行業標準DL/T 694—2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術導則》,應結合螺栓形狀尺寸、晶粒大小、聲速等情況進行全面分析,選用橫波法、爬波法和小角度縱波法對螺栓齒根、光桿及中心孔內外壁等位置進行全面檢測。

2.1 橫波法檢測

當螺栓端面較小,或不平整、不規則時,應選用橫波檢測。選用適應鎳基高溫合金螺栓的頻率為2～2.5 MHz的橫波探頭,k值大小一般取1.7。橫波法可以對螺栓中心孔內壁、螺栓光桿處表面、螺栓齒根進行有效檢測。

(1) 優點：可通過螺紋反射波來調整檢測靈敏度,選用4～6個螺紋波,將螺紋反射波調至60 %的屏高即可。該法方便快捷、無需試塊。當螺栓的某個螺紋反射波被遮擋時,需判斷識別是否存在裂紋缺陷等。

(2) 缺點：鎳基高溫合金螺栓晶粒粗大會導致噪聲升高、螺紋波形不規則、裂紋缺陷不易識別等現象。

2.2 爬波法檢測

當因螺栓晶粒粗大導致林狀雜波較多而遮擋有效螺紋波時,無法使用橫波檢測,此時可采用爬波法檢測。該法可以很好地避免晶粒對聲波的散射衰減,提高對裂紋的檢測率,但前提要求是螺栓齒根距光栓面高度要小于1 mm。現場檢測時,應選用頻率為2.0～2.5 MHz的并聯式爬波探頭,其中檢測大于或等于M140尺寸的螺栓時,應選用2 MHz探頭；應根據螺栓的規格選擇探頭,確保探頭的晶片尺寸與螺栓曲面相近。

(1) 優點：采用并聯低頻雙晶爬波探頭,始脈沖后無雜波,避免了傳統橫波探頭因始脈沖占寬干擾缺陷檢測的弊病,提高了信噪比和檢測靈敏度,缺陷波型明晰孤立,指示長度測量方便準確。

(2) 缺點：因難以區別螺栓形狀和規格而產生偽缺陷信號,主要有固定位置信號、變形波等。應確保探頭晶片尺寸應與螺栓曲面相近并吻合良好,否則會降低裂紋檢出率。

2.3 小角度縱波法檢測

當螺栓兩端面平整、規則,且有大于10 mm寬度的平面時,應優先采用小角度縱波法。小角度縱波法可以對螺栓絲扣及螺栓本體進行有效檢測。探頭選用：頻率2.5 MHz,折射角βL為6°～12°,根據螺栓端面面積決定晶片尺寸大小。探頭折射角βL大小選擇一般根據螺栓端面面積和本側絲扣長度綜合考慮,確保檢測范圍覆蓋大部分螺栓絲扣。探頭折射角度βL選用方法采用螺栓端面沿徑向移動值R與絲扣長度進行正切函數計算。

(1) 優點：可以檢測螺栓本側、對側螺紋及螺栓本體部分,方便快捷。對螺栓晶粒大小不敏感,檢測靈敏度高,缺陷指示長度測量和位置判定準確,能識別1 mm以上裂紋。

(2) 缺點：螺栓兩端面需平整、規則,或一個端面至少需要有10 mm寬度的平面。

3 方法驗證

某電廠1000 MW超超臨界火力發電機組停機檢修,對汽輪機中壓主汽門、調門螺栓進行超聲檢測,螺栓材質為Inconel 783,規格為M72×330和M90×390,共計88根螺栓,結合分別采用3種檢測工藝方法進行超聲檢測,共發現10根螺栓存在1 mm以上裂紋,現場檢測發現裂紋情況見表2。

表2 裂紋部位與檢測工藝方法的關系

在實踐檢測中發現,由于螺栓的結構特點,螺栓光桿與絲扣結合位置有一定高度差,橫波法和爬波法對裂紋檢出效果不明顯,而小角度縱波檢測對缺陷定位準確,能有效區分螺栓絲扣和中心孔內壁處裂紋回波,裂紋反射當量值高,易于發現裂紋。

經著色探傷和解剖復驗,對發現裂紋的螺栓進行驗證,結果顯示超聲檢測與實際裂紋形狀完全一致。小角度縱波法能有效發現螺栓裂紋,檢出率優于橫波法和爬波法,定位和定量準確,而且在現場工作中容易掌握和使用。由于實際裂紋可能有分叉走向,探頭主聲束角度受到局限,實際探傷過程中需要適當轉動探頭,使主聲束與裂紋面垂直,確保小裂紋不漏檢。

(1) 當螺栓端面平整,一端或兩端有大于10 mm寬度的平面且能放置探頭的情況下,均應優先選擇小角度縱波法檢測。小角度縱波法受材料粗晶影響小,晶界散射損失少,能準確發現1 mm以上的裂紋。

(2) 當螺栓不平整時,可采用k=1.7橫波探頭進行檢測；如因晶粒粗大無法有效檢測時,應選用爬波法檢測,爬波法檢測時要求螺栓齒根部與光栓面高度差小于1 mm。

4 結束語

Inconel 783螺栓經高溫運行10000 h以上易發生螺栓斷裂失效現象,裂紋多集中于中心孔底部盲孔位置以及螺栓光桿與螺紋變徑區域。該區域應力集中、明顯,為此類螺栓重點檢測部位。建議對該材質螺栓中心孔設計進行修正,以減少因應力集中導致斷裂失效的現象,確保發電機組安全運行。