超超临界火电机组Inconel 783螺栓的超声检测

曹云峰，田尉建，花喜阳，张振华

(1.徐州电力试验中心，徐州 221009;2.国华徐州发电有限公司，徐州 221000)

国内超超临界火电机组现已大批量投产运行，机组内的蒸汽温度和压力都有很大程度提高，一批耐高温、高强度镍基高温合金材料(GH4145、Inconel 783等)被广泛应用于火电机组螺栓的制造中。近年来,国内数家电厂汽机中压主汽门、中调门的Inconel 783螺栓发生多起断裂事故，造成机组非停，严重影响了发电机组安全运行，因此多家发电集团把Inconel 783螺栓断裂作为重大设备隐患进行治理。由于此类螺栓为不通孔中心结构，几何形状复杂，超声检测时仅采用一种工艺方法，不能很好地检测出裂纹等危害性缺陷，笔者根据现场检测实际情况，论述了几种有效的检测方法。

1 常见镍基合金螺栓参数

目前国内超超临界火电机组三大发电设备制造企业，所采用的镍基合金螺栓材料主要有Inconel 783、 GH4145、 R-26等。文章主要针对Inconel 783材料螺栓进行分析讨论。

1.1 常见镍基合金螺栓材料及其参数

常见镍基合金螺栓材料及其参数如表1所示[1]。

表1 镍基螺栓材料及其参数

1.2 Inconel 783螺栓规格

常见Inconel 783螺栓规格有M72和M90两种，均带有未打通中心孔。螺栓两端均为平面，中间直段为光杆,两侧变径过渡至螺纹区域，螺纹根部与光杆直径差一般不小于3 mm。M72螺栓实物及结构如图1所示。

图1 M72螺栓实物及结构示意

1.3 Inconel 783螺栓金相组织

对螺栓进行现场金相分析，其组织为奥氏体+β( NiAl )相，一般晶粒度为45级。其金相组织显微图像如图2所示，对于晶粒度较粗大的螺栓,检测前应进行声速测定，测定方法见标准DL/T 694-2012附录C，偏差值超过100 m·s-1时应作定位修正，探头频率为2 MHz2.5 MHz。

图2 螺栓金相组织显微图像(400×)

2 超声检测工艺分析

对Inconel 783镍基合金螺栓开展超声检测工艺分析，依据电力行业标准DL/T 694-2012要求，应结合螺栓外观形状、晶粒大小、声速等参数进行全面分析，选用小角度纵波、爬波、横波等方法对螺栓齿根、光杆及中心孔内外壁等位置进行全面检测。

2.1 小角度纵波法检测

当螺栓两端面平整规则，且有宽度大于10 mm的平面时应优先采用小角度纵波法。小角度纵波法可以对螺栓丝扣及螺栓本体进行有效检测。所选用的探头频率为2.5 MHz，折射角βL为6°～12°，根据螺栓端面面积确定晶片尺寸。探头折射角βL的选择一般根据螺栓端面面积和本侧丝扣长度来综合考虑，以确保检测范围覆盖大部分螺栓丝扣。探头折射角βL采用螺栓端面沿径向移动值R与丝扣长度进行正切函数计算得到(见图3)[2]。在实际探测时还应结合螺栓的规格来选择探头，M56～M72螺栓宜选用的探头频率为2.5 MHz，折射角βL为6°～8°，晶片尺寸为9 mm×12 mm(长×宽)；M90以上螺栓宜选用的探头频率为2.5 MHz，折射角βL为8°～12°，晶片尺寸为13 mm×13 mm(长×宽)。

图3 R与βL计算方法示意

常见规格螺栓折射角βL与探头径向移动值R的关系如表2所示[2]。

表2 探头βL与探头径向移动值R的关系 mm

(1) 检测优点。其可以检测螺栓本侧、对侧螺纹及螺栓本体部分，方便快捷，且对螺栓晶粒大小不敏感，检测灵敏度高，缺陷指示长度测量和位置判定准确度高，能识别长度不小于1 mm的裂纹。

(2) 检测缺点。用该法实施检测时，螺栓两端面需平整规则，或一个端面有宽度不小于10 mm的平面。

2.2 横波法检测

当螺栓端面较小或不平整规则时，应采用横波法检测。横波法可以对螺栓中心孔内壁、螺栓光杆处表面、螺栓齿根等位置进行有效的检测。横波探头频率为2 MHz～2.5 MHz[3]，K值一般选取1.7。

(1) 检测优点。检测时，用螺纹反射波来调整检测灵敏度，选用4～6个螺纹波，将螺纹反射波调到屏高的60%即可[3]。该方法方便快捷无需试块。当螺栓某个螺纹反射波被遮挡时，需判断识别是否有裂纹等缺陷。裂纹识别检测原理及波形如图4所示。

图4 裂纹的横波法检测原理及波形

(2) 检测缺点。镍基高温合金螺栓晶粒粗大会带来噪声增大、螺纹波形态不规则、裂纹缺陷不易识别等问题。

2.3 爬波法检测

当螺栓晶粒粗大导致林状杂波较多而遮挡有效螺纹波，不能使用横波检测时，须采用爬波法检测。爬波法可以很好地避免晶粒对声波的散射衰减，提高裂纹的检出率。但前提条件是，螺栓齿根距光栓面高度应小于1 mm。现场检测时采用并联式爬波探头，频率为2.0 MHz～2.5 MHz，检测直径不小于140 mm的螺栓选用2 MHz探头， 根据螺栓的规格选择探头晶片尺寸(宜与螺栓曲面吻合良好)。齿根与光栓高度差的关系示意如图5所示。裂纹的爬波法检测波形如图6所示。

图5 齿根与光栓面高度差关系示意

图6 裂纹的爬波法检测波形

(1) 检测优点。该法检测时采用并联低频双晶爬波探头，始脉冲后无杂波，减少了横波探头因始脉冲占宽对检测的干扰，提高了信噪比和检测灵敏度，缺陷波形明晰孤立，指示长度测量方便准确[3]。

(2) 检测缺点。不易区别受螺栓形状和规格影响而产生的伪缺陷信号，包括固定位置信号、变形波等。探头晶片需与螺栓曲面吻合良好，以避免裂纹检出率下降。

3 检测案例

某电厂1 000 MW超超临界火力发电机组停机检修时，对汽轮机中压主汽门、调门螺栓(共计88个)进行超声检测，螺栓材料为Inconel 783，规格为72 mm×330 mm和90 mm×390 mm(螺纹直径×长度)。

3.1 探头选择及灵敏度设定

(1) 小角度纵波法。探头频率为2.5 MHz,折射角βL为6°和8°,晶片尺寸为9 mm×12 mm(长×宽),以LS-Ⅰ试块同声程φ1 mm-12 dB作为检测灵敏度进行检测。

(2) 横波检测。探头频率为2.5 MHz,K值为1.7,晶片尺寸为13 mm×13 mm(长×宽)，探头曲面吻合螺栓； 螺栓丝扣检测选用出现4～6个螺纹波60%波高，光杆或孔内壁处检测选用LS-1试块同声程φ1 mm-6 dB作为检测灵敏度进行检测。

(3) 爬波法检测。探头频率为2.5 MHz，K值为1.7，晶片尺寸14 mm×22 mm×2 mm(长×宽×高)、探头曲面吻合螺栓；以LS-Ⅱ试块深度1 mm模拟裂纹反射80%波高-6 dB作为检测灵敏度进行检测。

3.2 检测结果

采用3种检测工艺方法进行超声检测，共发现10个螺栓有长度大于1 mm的裂纹，不同部位裂纹的检出情况如表3所示。

表3 3种工艺方法对不同部位裂纹的检出情况

实际检测时发现，由于螺栓的结构特点，螺栓光杆与丝扣结合位置有一定高度差，横波和爬波法对裂纹的检出效果不明显，而小角度纵波检测对缺陷定位准确，能有效区分螺栓丝扣和中心孔内壁处裂纹回波，裂纹反射当量值高，易于发现裂纹。3种方法的检测原理如图7所示。对发现的螺栓丝扣裂纹进行着色渗透检测，裂纹显示如图8所示，裂纹反射波形如图9所示，内壁裂纹波形及解剖后的螺栓实物如图10所示。

图7 3种方法的检测原理示意

图8 Inconel 783螺栓丝扣处裂纹显示

图9 螺栓裂纹反射波形

图10 Inconel 783螺栓内壁裂纹波形及解剖后实物

4 结论

通过渗透检测和解剖复验手段对发现裂纹的螺栓进行验证，得出超声检测结果与实际裂纹形状完全一致的结论。小角度纵波法能有效发现螺栓中的裂纹，检出率优于横波和爬波法的，定位和定量准确，在现场工作中易于掌握和使用。实际检测时，裂纹可能有分叉走向，受限于探头主声束角度，有些缺陷不易检出，此时需要适当转动探头，使主声束与裂纹面垂直，确保小裂纹不漏检。

当螺栓端面平整，一端或两端有直径大于10 mm平面能放置探头的情况下，均应优先选择小角度纵波检测法。小角度纵波法受材料粗晶影响小，晶界散射损失少，能准确发现1 mm以上的裂纹。

两端面不能进行小角度纵波法检测时，可采用K为1.7的横波探头进行检测；当螺栓晶粒较粗大，螺纹波不明显，且螺栓齿根与光栓面高度差小于1 mm时应选用爬波法检测。

Inconel 783螺栓高温运行1万h以上时可能会发生螺栓断裂失效现象，裂纹多集中于中心孔底部盲孔位置和螺栓光杆与螺纹变径区域，此区域应力集中明显，是该类螺栓重点检测位置[4]。