镍基合金螺栓超声检测工艺

曹云峰，李建勇，田尉建，花喜阳

(1. 徐州电力试验中心，江苏 徐州 221009；2. 中国广核新能源控股有限公司，上海 200241)

0 前言

随着国内超超临界火电机组的迅猛发展,一批耐高温、高强度、抗疲劳性能较好的高合金材料被广泛使用,如奥氏体(镍基高温合金) GH4169,GH4145,Inconel 783等合金螺栓。然而,由于这类材料在国内应用时间较短,多个电厂超超临界机组曾因汽轮机中压主汽门、中调门等部件的螺栓发生断裂造成机组非计划停机,严重影响发电机组的安全运行。此类螺栓为非全通中心孔结构,几何形状复杂,仅采用一种超声波检测工艺不能很好地检测出裂纹等危害性缺陷,故结合现场实际检测情况,分析探讨几种检测方法的有效性。

1 镍基合金螺栓常见材质

目前,国内超超临界火电机组发电设备主要采用三菱、东芝和西门子公司的设备技术,其镍基合金螺栓材质主要有Inconel 783,GH4169,GH4145,R-26等,各材质参数情况见表1。

表1 镍基螺栓常见材质及其参数

常见Inconel 783螺栓带有非全通中心孔,规格有M72和M90两种。螺栓为规则双平面,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R过渡段高度差一般不小于3 mm。Inconel 783螺栓现场金相组织为奥氏体+渗透体,一般晶粒较粗大。

2 超声检测工艺分析

对Inconel 783镍基合金螺栓开展超声检测,依据电力行业标准DL/T 694—2012《高温紧固螺栓超声检测技术导则》,应结合螺栓形状尺寸、晶粒大小、声速等情况进行全面分析,选用横波法、爬波法和小角度纵波法对螺栓齿根、光杆及中心孔内外壁等位置进行全面检测。

2.1 横波法检测

当螺栓端面较小,或不平整、不规则时,应选用横波检测。选用适应镍基高温合金螺栓的频率为2～2.5 MHz的横波探头,k值大小一般取1.7。横波法可以对螺栓中心孔内壁、螺栓光杆处表面、螺栓齿根进行有效检测。

(1) 优点：可通过螺纹反射波来调整检测灵敏度,选用4～6个螺纹波,将螺纹反射波调至60 %的屏高即可。该法方便快捷、无需试块。当螺栓的某个螺纹反射波被遮挡时,需判断识别是否存在裂纹缺陷等。

(2) 缺点：镍基高温合金螺栓晶粒粗大会导致噪声升高、螺纹波形不规则、裂纹缺陷不易识别等现象。

2.2 爬波法检测

当因螺栓晶粒粗大导致林状杂波较多而遮挡有效螺纹波时,无法使用横波检测,此时可采用爬波法检测。该法可以很好地避免晶粒对声波的散射衰减,提高对裂纹的检测率,但前提要求是螺栓齿根距光栓面高度要小于1 mm。现场检测时,应选用频率为2.0～2.5 MHz的并联式爬波探头,其中检测大于或等于M140尺寸的螺栓时,应选用2 MHz探头；应根据螺栓的规格选择探头,确保探头的晶片尺寸与螺栓曲面相近。

(1) 优点：采用并联低频双晶爬波探头,始脉冲后无杂波,避免了传统横波探头因始脉冲占宽干扰缺陷检测的弊病,提高了信噪比和检测灵敏度,缺陷波型明晰孤立,指示长度测量方便准确。

(2) 缺点：因难以区别螺栓形状和规格而产生伪缺陷信号,主要有固定位置信号、变形波等。应确保探头晶片尺寸应与螺栓曲面相近并吻合良好,否则会降低裂纹检出率。

2.3 小角度纵波法检测

当螺栓两端面平整、规则,且有大于10 mm宽度的平面时,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。探头选用：频率2.5 MHz,折射角βL为6°～12°,根据螺栓端面面积决定晶片尺寸大小。探头折射角βL大小选择一般根据螺栓端面面积和本侧丝扣长度综合考虑,确保检测范围覆盖大部分螺栓丝扣。探头折射角度βL选用方法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。

(1) 优点：可以检测螺栓本侧、对侧螺纹及螺栓本体部分,方便快捷。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,能识别1 mm以上裂纹。

(2) 缺点：螺栓两端面需平整、规则,或一个端面至少需要有10 mm宽度的平面。

3 方法验证

某电厂1000 MW超超临界火力发电机组停机检修,对汽轮机中压主汽门、调门螺栓进行超声检测,螺栓材质为Inconel 783,规格为M72×330和M90×390,共计88根螺栓,结合分别采用3种检测工艺方法进行超声检测,共发现10根螺栓存在1 mm以上裂纹,现场检测发现裂纹情况见表2。

表2 裂纹部位与检测工艺方法的关系

在实践检测中发现,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,横波法和爬波法对裂纹检出效果不明显,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。

经着色探伤和解剖复验,对发现裂纹的螺栓进行验证,结果显示超声检测与实际裂纹形状完全一致。小角度纵波法能有效发现螺栓裂纹,检出率优于横波法和爬波法,定位和定量准确,而且在现场工作中容易掌握和使用。由于实际裂纹可能有分叉走向,探头主声束角度受到局限,实际探伤过程中需要适当转动探头,使主声束与裂纹面垂直,确保小裂纹不漏检。

(1) 当螺栓端面平整,一端或两端有大于10 mm宽度的平面且能放置探头的情况下,均应优先选择小角度纵波法检测。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。

(2) 当螺栓不平整时,可采用k=1.7横波探头进行检测；如因晶粒粗大无法有效检测时,应选用爬波法检测,爬波法检测时要求螺栓齿根部与光栓面高度差小于1 mm。

4 结束语

Inconel 783螺栓经高温运行10000 h以上易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以及螺栓光杆与螺纹变径区域。该区域应力集中、明显,为此类螺栓重点检测部位。建议对该材质螺栓中心孔设计进行修正,以减少因应力集中导致断裂失效的现象,确保发电机组安全运行。