燃机过渡段螺栓原位超声波检测试验

，

（福建省电力有限公司 电力科学研究院，福州 350007）

某新建LNG电厂投运后陆续发现燃机过渡段螺栓断裂脱落。为防止该种螺栓突然断裂导致机组意外停机，电厂计划定期对其进行超声波探伤，及时更换已产生小裂纹的螺栓。但该种螺栓数量大，不可能在短暂的停机时间里全部拆卸下来并完成探伤工作，因此只能在不拆卸的状态下进行超声波探伤。

针对该种螺栓的具体结构、工作状态及检测条件，笔者将在合理分析的基础上，通过试验研究，确定一种合适的检测方法，实现对燃机过渡段螺栓的原位超声波探伤。

1 试验

1.1 试验设计

在役燃机过渡段螺栓的安装状态如图1所示，具体结构及实测尺寸如图2所示。从受力分析角度考虑，在工作状态下，螺栓主要承受拉应力，且螺栓上存在两处应力集中处，即图2所示的A、B处。因此使用过程中这两个位置最易产生垂直（或近似垂直）于螺栓轴线的裂纹（即横向裂纹）。这一点可以从螺栓的实际断裂情况得到印证。故笔者将着重对A、B处横向裂纹的检测进行研究。

图1 燃机过渡段螺栓安装情况及探伤位置示意图

图2 燃机过渡段螺栓结构示意图

按照要求，燃机过渡段螺栓须在不拆卸的状况下进行超声波检测。结合图1所示的实际检测条件，参考标准DL/T 694—1999《高温紧固螺栓超声波检验技术导则》以及其它相关的研究工作［1－3]，笔者计划选用直探头和小角度纵波探头进行试验研究。

由于只能从螺栓六角头顶端进行检测，如果A处存在横向裂纹，小角度纵波探头因为没有反射条件而无法获得裂纹的反射波（A点处小角度纵波探头始终只能获得螺栓六角头下端角的反射波）。故A处横向裂纹不采用小角度纵波探头进行检测。而螺栓的其余位置，理论上纵波直探头及小角度纵波探头均能实现对横向裂纹的检测。

基于上述考虑，制定如下试验步骤：

（1）通过对比不同探头对B处横向裂纹的检测情况，确定合适的探头。

（2）采用上面确定的探头，对图2所示C，D处横向裂纹检测情况进行分析，确认该探头是否适合螺栓上A处以外其余所有位置的检测。

（3）通过对A处的深入分析，结合试验情况，确定合适A处横向裂纹检测的探头。

1.2 试验设备

选用Krautkramer公司生产的USM35数字超声波探伤仪。

根据图2所示的螺栓实测数据，可知螺栓长51.5 mm，光杆及螺牙根部直径为12.5 mm，故纵波小角度探头的角度θ≤arctan（12.5/51.5），即θ≤13.6°，因此选择以下三个探头：5P7×12的4°纵波斜探头、5P8×12的12°纵波斜探头和5P6直探头。

1.3 试样制备

采用φ0.18 mm丝径的线切割分别在4根燃机过渡段螺栓的A，B，C，D处（图2）加工一条1 mm深的横向模拟裂纹。

2 试验结果及分析

规定下文中提到的缺陷波幅均以对应试样的无缺陷处底波（B）为基准，表示为（B±n）dB。

2.1 B处及C，D处模拟裂纹的超声波检测试验

分别利用三个探头对试样b进行检测，具体结果见表1。可以看到，对于B处1 mm深模拟裂纹，直探头基本上检测不出来，4°探头检测出来的最强缺陷波比无缺陷处底波小17 dB，12°探头检测到的最强缺陷波比无缺陷处底波小7.5dB。很明显，12°纵波斜探头具有最高检测灵敏度。故对B处的检测确定选用5P8×12的12°纵波斜探头。

表1 不同探头对各试样的检测结果

由表1还可以看到，采用5P8×12的12°纵波斜探头检测时，试样c，d中模拟裂纹最强波分别比无缺陷底波小1.5和4 dB，可见该探头对C，D处模拟裂纹波的检测具有足够的灵敏度。因此结合图2中B，C，D的位置分布，可以得到如下结论：5P8×12的12°纵波斜探头对于该燃机过渡段螺栓上A处以外其余各处的横向裂纹均有较高的检测灵敏度。

2.2 A处模拟裂纹的超声波检测试验

从图2可以看到，螺栓六角头下端面与螺杆之间形成一个小台阶，如果这个台阶的宽度小于直探头的声束直径，则直探头从六角头顶部检测时，将无法获得整个声束的反射波，而如果六角头下端面的某处出现垂直于轴向的裂纹，那么裂纹处的台阶宽度增大，即该处被反射的声束截面积增大，显然该处反射波将比无缺陷处大。基于此种考虑，故使用5P6直探头对试样a进行检测。

结果发现，1 mm深模拟裂纹处的反射波幅为一次台阶波＋5 dB（见图3和4）。该结果验证了上述分析的正确性，说明5P6直探头能够有效发现A点处存在的1 mm深横向裂纹，从而弥补了小角度纵波探头的不足。

图3 5P6直探头检测时螺栓六角头下端面无缺陷处最强台阶波显示图

3 结论

综上所述，联合使用5P8×12的12°纵波斜探头和5P6直探头可实现对燃机过渡段螺栓原位超声波检测，及时发现螺栓各个位置上可能存在的深度1 mm及以上的横向裂纹。

图4 5P6直探头检测时螺栓六角头下端面1 mm深模拟裂纹处最强台阶波显示图

［1]李树军.底波遮挡法在螺栓超声波探伤中的应用［J].河北电力技术，2001，1（20）：45－49.

［2]夏纪真.液压缸紧固螺栓的原位超声波探伤［J].无损探伤，1999（1）：40－41.

［3]刘英和，康泰.游乐设施高强度螺栓小角度纵波探伤［J].无损检测，2005，2（27）：105－109.