GH4145合金螺栓的超声波检测

　　某电厂四台300 MW汽轮机的高压内缸、中压内缸、高压静叶持环、中压静叶持环紧固螺栓使用了GH4145合金。经过一个大修周期4 a(年)后,四台机组共发现40多个GH4145合金螺栓断裂。螺栓的断裂位置包括螺纹与螺杆圆弧过渡处(图1中1处)、定位凸台(图1中2处)及定位凸台与螺杆的圆弧过渡处(图1中3处)。同时经宏观检查,有14个螺栓表面发现裂纹,裂纹出现的位置与螺栓断裂的位置基本一致,有个别螺栓裂纹出现在离螺纹与螺杆圆弧过渡处100 mm范围内的螺杆上。裂纹都是横向的,与螺栓轴线垂直,裂纹均源自螺栓外表面,向内部和两侧扩展。

　　为了进一步检测螺栓裂纹,按电力行业标准DL/T 694—1999《高温紧固螺栓超声波检验技术导则》的规定,应采用小角度纵波斜探头或横波斜探头检测螺栓裂纹。但在实际检测中发现,GH4145合金螺栓晶粒粗大^[1]  ,散射衰减严重,草状杂波完全湮没信号波,无法检测。为此,采用低频、窄脉冲、双晶爬波探头对GH4145合金螺栓进行超声波检测。

　　1　检测工艺的研究

　　1.1　检测探头的研制

　　为减少粗晶材料中的散射衰减,采用1.5 MHz、窄脉冲、双晶爬波探头进行检测。低频爬波波长大,能减少散射衰减,显著降低草状杂波;双晶探头可减少粗晶材料中的直接后向散射,提高信噪比;所用窄脉冲探头的脉冲宽度约一个半周期,在粗晶材料中使用窄脉冲探头也可提高信噪比。

　　GH4145合金螺栓的螺纹直径一般在M33~120 mm之间,检测时,探头放在螺杆上,为了减小探头的宽度,保证与探测面的良好耦合,采用串排型爬波探头,晶片尺寸为6 mm×8 mm,在检测时,对探头进行修磨,使与弧形表面吻合。

　　为了提高对表面裂纹的检测能力,要合理地选择入射角、频率和晶片尺寸^[2] 。如前所述,为减少散射衰减、提高信噪比,及保证与探测面的良好耦合,采用了检测频率为1.5 MHz、晶片尺寸为6 mm×8 mm的探头。因此,获得较高的表面裂纹检测灵敏度主要通过选择合适的入射角来实现。当采用27.6°的入射角探头检测时,可以轻易地发现深度为1 mm的模拟裂纹,但在下面所述的模拟裂纹试块上试验时,只能检测到深度≥5 mm的模拟裂纹,主要是因为GH4145合金螺栓的声速<5 900 m/s,导致爬波最大折射角变小,对小裂纹的检测能力降低。由于该螺栓晶粒粗大,衰减严重,声速测量困难,所以分别用入射角为28°,28.5°,29°,29.5°,30°,30.5°和31°的探头在模拟裂纹试块上进行试验,寻找最佳入射角。通过比较,最终采用了30°的入射角。

　　1.2　模拟裂纹试块的制作与检测结果