淺談電站結(jié)合面螺栓的超聲波探傷

蔡占河

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 菏澤分院，菏澤 274000）

電站高溫緊固螺栓在長期運(yùn)行中，易產(chǎn)生熱脆、蠕變、疲勞、應(yīng)力腐蝕和裂紋等缺陷。根據(jù)DL／T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)，對其進(jìn)行檢測是十分必要的，檢測項(xiàng)目主要包括光譜、硬度、金相和無損檢測等［1］。

由于電站高溫緊固螺栓的長徑比（L／D）大、規(guī)格雜、數(shù)量多，在役檢測受到工期限制，因此其無損檢測以超聲檢測為主，輔以其他檢測方法。檢測標(biāo)準(zhǔn)為DL／T 694—1999《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術(shù)導(dǎo)則》和JB／T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》。

其中JB／T 4730—2005的“標(biāo)準(zhǔn)釋義”中明確表述“對于制造和在用螺栓件（坯件），由于螺紋已經(jīng)加工，螺紋根部裂紋可采用小直徑縱波和小角度縱波斜探頭來檢測，其檢測靈敏度可采用根部裂紋或平底孔作為參考反射體來校正”［2］。

1 探傷原理

同一螺栓的絲扣型式都是一致的，它們對超聲波的反射條件也基本相同，所以在熒光屏上絲扣波的特征都是相似的。但是，一旦在某道絲扣處形成了裂紋，該處就形成了許多特殊條件，從而出現(xiàn)特殊波形的特殊變化。螺栓的探傷就是基于從絲扣反射波的一致性和普遍性中來識(shí)別具有特殊性的裂紋波的思路。

2 螺栓裂紋的形成原因和特征

電站中常用的結(jié)合面緊固螺栓，規(guī)格從M30×175至M165×870，大小不一。從型式上分為無中心孔（M120以下）和有中心加熱孔（M120以上）兩類高壓缸緊固螺栓。螺栓的工作狀態(tài)，有一端栽絲，一端螺帽，也有兩端螺帽緊固的。根據(jù)對斷裂螺栓的統(tǒng)計(jì)，前一種工作狀態(tài)的螺栓占斷裂總數(shù)的95%以上。斷裂的原因主要有兩個(gè)方面。

2.1 冷裂紋

對于直徑較小無加熱孔的螺栓，一般都在冷狀態(tài)下進(jìn)行緊固。為了達(dá)到一定的緊力，使用扳手的板臂較長，有時(shí)還用大錘在板臂上進(jìn)行敲打，使螺栓承受著較大的應(yīng)力。

對于一端栽絲的螺栓，在緊固過程中，由于上工件的螺栓孔和螺栓之間留有一定的間隙，螺栓在孔里尚有左右擺動(dòng)的余地。而在下工件，由于螺栓是栽在里面的，絲扣就沒有擺動(dòng)的余地。緊固時(shí)，在上下工件結(jié)合面處的螺栓截面，除受有較大的縱向拉力F1外，還承受很大的剪切應(yīng)力F2和其它彎應(yīng)力、扭矩等力的復(fù)合作用，如圖1所示。位于結(jié)合面處的絲扣是最薄弱的截面，因此在該道絲扣中造成很大的應(yīng)力集中。如果緊固工藝不當(dāng)，錘打方向不正確或用力過猛，就很容易在該處裂開。有的雖然當(dāng)時(shí)沒有產(chǎn)生裂紋，但其應(yīng)力已達(dá)到很大值，在以后的運(yùn)行過程中加上其它一些力的共同作用會(huì)慢慢地形成裂紋。

圖1 一端栽絲螺栓的受力圖

對M36×175的材料為ЭИ10（前蘇聯(lián)）的螺栓（25Cr2MoVA）作了三種緊固方式的應(yīng)力測量，結(jié)果見表1。

表1 不同緊固方式下的應(yīng)力測量結(jié)果

材料ЭИ10的常溫屈服極限約80kg／mm2，500℃時(shí)的σs約60kg／mm2。

從上述測量情況可以看出，此類螺栓的除緊應(yīng)力已達(dá)高溫屈服極限的70%，由于螺栓的直徑小，如果錘擊過猛和運(yùn)行時(shí)其它綜合應(yīng)力稍大，就很容易達(dá)到和超過材料的σs，從而產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

上述裂紋被稱為冷裂紋，其特征是裂紋的部位在栽絲端工件結(jié)合面處的該道絲扣中，裂紋的走向是從絲扣裂向中心。

2.2 熱裂紋

高壓側(cè)氣缸的緊固螺栓中心均有加熱孔。緊固時(shí)在加熱孔中裝上電熱源或直接用氣焊對孔的內(nèi)壁進(jìn)行加熱，這就更增加了冷態(tài)下的緊力，從而避免在運(yùn)行中因熱膨脹而造成松動(dòng)，或使結(jié)合面的緊力不夠等不良現(xiàn)象。

這種螺栓的斷裂總的來說是因緊固和加熱不當(dāng)而引起的。用電熱設(shè)備加熱的螺栓，斷裂情況極少，因?yàn)殡姛嵩茨茉诳桌镒魃舷逻\(yùn)動(dòng)，加熱就比較均勻，溫度也易控制，溫差應(yīng)力也小；采用氣焊加熱的螺栓，斷裂的現(xiàn)象比較多，斷裂的部位都在螺帽端，筆者分析認(rèn)為加熱不當(dāng)是促使其斷裂的主要原因。因?yàn)橛脷夂讣訜釙r(shí)容易造成加熱速度過快，加熱不均勻，局部加熱溫度過高，上下端和內(nèi)外壁的溫差過大等弊病。經(jīng)過多次拆裝加熱后，位于火焰高溫區(qū)的金屬性能降低，并且脆性增大，在顯微鏡下觀察有貝氏體和針狀馬氏體等淬硬組織出現(xiàn)，應(yīng)力水平大為提高，加上緊固工藝不當(dāng)，就很容易在孔內(nèi)組織惡化的部位形成裂紋。

熱裂紋的特征為：斷裂的部位均在螺帽端相應(yīng)于火焰高溫區(qū)的某一截面，裂紋的走向先是在加熱孔內(nèi)壁形成裂紋，然后向外發(fā)展。

在對M140×710高壓缸螺栓（ЭИ10）的應(yīng)力測量中可見，螺栓最小截面處的最大初緊應(yīng)力僅為3420kg／mm2，所以只要緊固工藝和加熱方式得當(dāng)，螺栓的初緊應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的σs，是完全可以避免出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的。

根據(jù)分析和實(shí)踐中的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，外絲扣裂紋（冷裂紋）占螺栓裂紋的98%以上，同時(shí)這種裂紋也較內(nèi)孔裂紋（熱裂紋）難發(fā)現(xiàn)。

3 絲扣波和裂紋波的特征分析

3.1 絲扣反射波的特征

（1）螺栓的絲扣一般呈60°的夾角（英制為55°）如圖2所示。當(dāng)用直探頭在端面檢測，假設(shè)是中心波束（主波束）直接射至絲扣，則在絲扣的斜面上的入射角為30°，絕大部分能量將在螺栓中產(chǎn)生反射，極少一部分能量被反射至探頭接收。另外由于近端面絲扣的影響，中心波束也不易直接射至絲扣的斜面。所以，絲扣波的反射主要是由擴(kuò)散波束（邊緣波束）所形成，但其能量要比主波束弱得多。

圖2 螺栓絲扣示意圖

假設(shè)使用晶片為φ12mm，2.5MHz的直探頭進(jìn)行測試，根據(jù)公式θ＝arcsin（1.22λ／D），可求得半擴(kuò)散角θ＝14°。

所以邊緣波束射至絲扣，在絲扣的斜面上仍有16°以上的入射角，在絲扣處的聲壓比（反射聲壓P／入射聲壓P0）很小。因此絲扣波和底波的能量差很大。如能改用高頻率大晶片的探頭（φ14mm，5MHz），則波束的指向性更好，半擴(kuò)散角θ更小，波束在絲扣處的入射角更大，則聲壓比就更小，與底波的能量差也愈大。

（2）絲扣的反射波形比較一致，波幅相差較小。因?yàn)槁菟ńz扣的形式是一樣的，對超聲波的反射除聲程稍有不同外，其它條件基本相同，因此反射波的能量差異不大（一般在3dB以下）。在熒光屏上的波幅差值不大于（29%）。即使個(gè)別絲扣有特殊良好的反射條件，其最高波幅和絲扣反射能量差也不超過4dB，顯示屏上的幅度差也不超過37%。

（3）兩個(gè)相鄰的絲扣對超聲波的反射無特殊的影響條件，所以在正常情況下，前絲扣不能破壞后絲扣的反射條件。

（4）絲扣對底波的反射沒有影響，在沿圓周探測時(shí)，底部反射波能量應(yīng)該相等。

（5）同一絲扣在圓周各個(gè)部位的反射能量差距較大，探頭沿圓周探測時(shí)，波形時(shí)起時(shí)落。

3.2 裂紋反射波的特征

（1）在絲扣處一旦形成裂紋，因?yàn)榱鸭y是呈水平方向的，對入射波束就形成了垂直反射。這時(shí)探頭除接收到由擴(kuò)散波束的反射能量外，尚能接收一部分主波束的反射能量。所以，裂紋處的聲壓比遠(yuǎn)大于絲扣面的聲壓比，再加上裂紋處原絲扣波能量的重合，裂紋波幅度就大為增高，和其它絲扣波的能量差更大。

（2）裂紋波在絲扣反射波的普遍性和一致性中形成了最大的絲扣反射波。根據(jù)上面的分析可以知道，裂紋波的能量遠(yuǎn)大于絲扣波。所以它可以在把所有的絲扣波全部抑制掉的情況下，單獨(dú)和底波存在，裂紋深度在1mm時(shí)，能量尚＞6dB。

（3）裂紋破壞了下鄰絲扣的正常反射。絲扣處一旦形成裂紋，即使深度較小，但沿圓周總是會(huì)有一定的長度，它對下鄰絲扣的反射波起了阻擋作用。因此，在裂紋下鄰的絲扣波就成為絲扣波特殊的很小反射波。

（4）裂紋減弱了底部反射波的能量。無論裂紋大小，它總是超出了絲扣，對超聲波起了阻擋，因此，削弱了底波的反射能量。裂紋處的底波波幅總是較正常區(qū)低。

（5）裂紋是垂直于入射波束的，所以在裂紋兩側(cè)的反射條件是一樣的。當(dāng)從螺栓兩端探測雖然聲程相差較大，但反射能量都很強(qiáng)。同時(shí)也能表現(xiàn)出上述的一些特征。對于同一個(gè)絲扣波來說，不可能兩端都出現(xiàn)強(qiáng)烈反射，因?yàn)榻z扣波主要是擴(kuò)散聲束的“距離－振幅”特征曲線下降很陡，即聲壓比隨距離的增加很快地降低。

若探頭沿圓周探測時(shí)裂紋波的變化比較平穩(wěn)，則裂紋沿周向有一定的長度。

4 探傷一般要求及探傷方法

需要探傷的螺栓，其兩端面應(yīng)進(jìn)行機(jī)械加工，光潔度至少為▽6.3，且沒有氧化皮、銹蝕、凹坑、毛刺、油漆涂層及其它粘附物；對在役臨時(shí)停機(jī)檢修的螺栓，由于現(xiàn)場種種原因，允許用手工打磨的方法來制備探測面，使其達(dá)到探測要求。根據(jù)螺栓裂紋存在的方向和部位，采用手工探傷操作的掃查速度≤10mm／s，且需隨時(shí)監(jiān)視探頭和工件接觸情況 要求保持良好的聲耦合；在保證有足夠的探傷靈敏度下，達(dá)到100%的探傷覆蓋率。為便于發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，允許在探傷掃查中使用高于規(guī)定的探傷靈敏度，但在對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測定或記錄裂紋缺陷回波狀態(tài)時(shí)，則必須在規(guī)定的探傷靈敏度下進(jìn)行。

4.1 儀器、探頭的選用

儀器采用CTS－22型超聲波探傷儀，儀器性能應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。實(shí)踐證明，只要掌握上述絲扣波和裂紋波的特征，在探測時(shí)正確控制儀器的靈敏度，用φ12mm，2.5MHz的探頭完全可以正確地識(shí)別出裂紋的反射波，如果選用φ14mm，5MHz的探頭則更為方便。至于頻率更高（≥10MHz）的探頭，因波束指向性更好，效果更佳。對于晶片的直徑也不宜過大，因?yàn)槁菟ǖ亩嗣娌豢赡芎芷秸睆接螅佑|條件愈差，一般以φ12～14mm較為合適。

4.2 探測靈敏度的確定

利用超聲波檢查螺栓，最主要的是儀器工作靈敏度的調(diào)整。對于現(xiàn)場L／D較大的結(jié)合面螺栓，如果依照一般的常規(guī)試驗(yàn)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)試塊（或平底孔試塊）來作為確定探測靈敏度的依據(jù)，將會(huì)給探傷工作者帶來許多的困難，也無法區(qū)別裂紋和絲扣的反射波。因?yàn)殪`敏度過高，絲扣波反射強(qiáng)烈，熒光屏上出現(xiàn)一片紊亂的絲扣波，難以辨別出裂紋波的反射波形，且裂紋產(chǎn)生的部位也各不相同。所以對各種不同規(guī)格的螺栓，難以選取與之相適用的標(biāo)準(zhǔn)試塊，也不可能把各種試塊都帶到現(xiàn)場去。

鑒于上述情況，如果能應(yīng)用絲扣波本身反射能量的大小來確定探測靈敏度的依據(jù)，以此作為粗探，這樣將會(huì)得到滿意的結(jié)果。對于有疑問的部位可以依靠平底孔試塊來驗(yàn)證探測結(jié)果的正確性。

靈敏度的調(diào)整如下［1］：將探頭置于螺栓的端面，調(diào)節(jié)“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”旋鈕，使熒光屏上顯示出一次底部回波，再調(diào)節(jié)控制靈敏度的旋鈕，使另一端的絲扣出現(xiàn)二到三個(gè)反射波。波幅在20%以下，此靈敏度即為探測的基準(zhǔn)靈敏度。

4.3 探測方法和波形分析［1］

（1）檢查一端栽絲狀態(tài)的螺栓，應(yīng)該以螺帽端面作為主要工作面。因該種螺栓的裂紋，均位于結(jié)合面處（即栽絲端）的絲扣中，從螺帽端進(jìn)行檢查，裂紋反射波的特征表現(xiàn)得特別明顯。檢查時(shí)要著重觀察該處的波形變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可疑信號(hào)，可以從另一端進(jìn)行復(fù)核，以便得到正確的判斷。

（2）檢查時(shí)探頭在端面作鋸齒形圓周運(yùn)動(dòng)，絲扣在圓周各部位的反射條件是不一致的。如果在恒定的基準(zhǔn)靈敏度下探測，有些部位的絲扣波可能全部消失，而有些部位的絲扣波就大量增多，幅度增大。對于每一個(gè)部位，盡管條件不一，每一徑向位置都可以有一個(gè)與之相應(yīng)的基準(zhǔn)靈敏度點(diǎn)。所以探測時(shí)，探頭在沿圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)必須沿徑向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并隨時(shí)調(diào)節(jié)靈敏度，觀察每一徑向位置中的基準(zhǔn)靈敏度。因?yàn)橹挥性谶@種基準(zhǔn)靈敏度下，才能明顯地識(shí)別出裂紋的反射波。

（3）在基準(zhǔn)靈敏度下，如出現(xiàn)波幅在40%以上的反射波，聲程距離與工件結(jié)合面處相符，并且圓周有一定的長度，則基本上可以認(rèn)為是裂紋波。此時(shí)再結(jié)合下列幾點(diǎn)仔細(xì)分析便可得出正確的判斷：①改變靈敏度，觀察裂紋波與另一最強(qiáng)絲扣波之間的幅度差（最好是測分貝值），并與其它絲扣波之間的幅度差進(jìn)行比較，看裂紋波是否明顯增大。② 降低靈敏度，使底波波幅為40%，觀察該處的底波幅度是否低于其它區(qū)域。③ 稍提高靈敏度，使熒光屏上出現(xiàn)4～5次絲扣波，將探頭自中心向邊緣慢慢移動(dòng)，此時(shí)由于近探測面的絲扣對波束的阻擋，另一端的絲扣波均很快消失。如果有裂紋的話，由于中心波束的反射，就在這些絲扣波剛消失的時(shí)候，裂紋波尚能獨(dú)立存在，并有相當(dāng)高的幅度，在圓周上亦存有一定的長度。④ 繼續(xù)提高靈敏度，觀察裂紋下鄰的幾個(gè)絲扣波是否較其它部位有明顯的阻擋作用。⑤改變“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”，觀察二次波，在絲扣波全被抑制的情況下，裂紋波尚能單獨(dú)存在。⑥ 從一端探測，裂紋波也應(yīng)有較大的反射能量，并在周向有一定長度，聲程也符合與結(jié)合面處的距離。改變靈敏度也能表示出上述的一些特征。波形特征如基本符合上述條件，則可以判定為裂紋波。

（4）檢查有加熱孔的螺栓，因裂紋均起始于內(nèi)壁，因此可以用專用試塊來調(diào)整儀器的靈敏度。檢查時(shí)探頭應(yīng)盡量靠近加熱孔，這樣可以避免絲扣波的不良影響。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑信號(hào)時(shí)，可以從一端進(jìn)行復(fù)核。也可用50°斜探頭在螺栓中部及外螺紋處進(jìn)行探測，如圖3和圖4。

（5）用直探頭從側(cè)面探測時(shí)，往往出現(xiàn)一些遲到波和變形波的干擾，但這些波形的聲程都較底部的一次回波信號(hào)遠(yuǎn)。即使有個(gè)別變形波能混雜在絲扣波中，因?yàn)樗荒鼙憩F(xiàn)出裂紋的特征。所以只要稍一移動(dòng)探頭位置或從另一端進(jìn)行校驗(yàn)，這些波形還是容易識(shí)別的。

5 結(jié)語

上述方法僅是在工作中得到的一點(diǎn)粗淺的體會(huì)。螺栓裂紋的檢查（尤其是外壁絲扣裂紋）是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，對于無損檢測人員來說，必須根據(jù)探頭位置、波形特征等條件，隨時(shí)調(diào)整靈敏度，對各種情況進(jìn)行綜合分析，這樣才能正確地識(shí)別裂紋的反射波。經(jīng)實(shí)踐證明，應(yīng)用上述方法，外壁絲扣中0.5mm的初期裂紋是完全可以被發(fā)現(xiàn)的。

［1］DL／T 439—2006 火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［2］JB／T 4730.3—2005 承壓設(shè)備無損檢測［S］.