镍基合金螺栓的超声波检测

　　0　前言

　　在引进型300 MW和600 MW汽轮机中,美国西屋电器公司选用Refractoloy-26(R-26)合金制造高温螺栓。R-26合金是高合金化合金,具有良好的综合性能,但是价格昂贵,从而限制了其使用范围。国内制造厂在Inconel X-750合金基础上添加适量的合金元素,研制了GH4145合金,用于高温部件紧固螺栓的制造。GH4145合金螺栓投入运行后,经常发生断裂,严重影响机组的安全运行。

　　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年)后,四台机组共发现40多条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)、定位凸台(图1中3)及定位凸台与螺杆的圆弧过渡处(图1中2)。同时,经宏观检查,在14条螺栓表面发现裂纹,裂纹出现的位置与螺栓的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/T694-1999《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,散射衰减严重,草状杂波完全淹没信号波,无法探伤。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

　　为了减少在粗晶材料中的散射衰减,采用1.5MHz、窄脉冲、双晶爬波探头进行检测。爬波是在表面下传播的纵波,低频爬波波长大,能减少散射衰减,显著降低草状杂波;窄脉冲可明显减少背散射,对降低草状杂波也有一定的好处;采用双晶探头的目的也是降低噪声波。GH4145合金螺栓中的螺纹直径一般在33~120mm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,并且在检测时,对探头进行修磨,使与弧形表面吻合

　　为使裂纹反射波具有较高的信噪比,要合理选择入射角、频率和晶片尺寸[2]。如前所述,为了减少散射衰减和保证与探测面的良好耦合,采用了1.5MHz检测频率和6 mm×8 mm晶片尺寸。因此,获得较高的信噪比主要通过选择合适的入射角来实现。当采用27.6°入射角的探头检测时,只能检测到深度5 mm以上的模拟裂纹,主要是因为GH4145合金螺栓中的声速远小于5900 m/s,改变了爬波最大折射角和主波瓣的极大值。由于GH4145合金螺栓晶粒粗大,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°、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。