兆瓦級風力機塔筒高強度螺栓的檢測

張建國，趙 磊，張瑞剛，李 沿

（西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

中國風電裝機總容量已躍居世界第一位［1］。由于風力發電場地和工作條件十分惡劣，風力機塔筒除了承受葉片及風力直接作用的彎矩、推力及扭力外，還要承受風機引起的振動載荷（啟、停機周期性影響，突風變化、塔影效應等）。

兆瓦級風力機塔架一般由三、四節塔筒組成，各節塔筒間采用高強度螺栓連接，高強度螺栓連接區就是整臺機組的質量薄弱區。在機組運行中，如果塔筒筒節連接處質量不佳，容易造成風力機倒塔事故，嚴重影響機組的安全性和經濟性。由于高強度螺栓質量直接影響風力機質量，因此開展高強度螺栓的檢測非常必要。

筆者論述了對某風場在役三年單臺1 500kW機組塔筒的高強度螺栓進行超聲檢測和滲透檢測的檢測過程，分析總結出一套較好的檢測方案，供同行參考。

1 超聲檢測試驗

某風場風力機已連續運行3年，風場常年風向對應機組90°與270°方位。抽查某臺機組塔筒4種規格法蘭連接高強度螺栓各15根（分別在90°方位附近抽檢7根，在270°方位附近抽檢8根，如圖1所示），總計60根。高強度螺栓各項技術參數為：材料為42CrMo；剛性結構、鎖緊狀態；不拆卸檢測；規格分別為M 36mm×245mm，M 36mm×205mm，M 36mm×175mm，M 36mm×305mm。

圖1 抽檢螺栓位置及編號示意

1.1 檢測方法

按DL／T 694－2012《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術導則》標準進行超聲波檢測、驗收。檢測方法主要有小角度斜探頭縱波法、直探頭縱波法和橫波法三種，試驗選用直探頭及小角度斜探頭縱波檢測法。

1.2 檢測部位

將探頭置于高強度螺栓螺桿端面進行檢測，如圖2所示。

圖2 高強度螺栓超聲波檢測位置示意

1.3 檢測儀及探頭

采用A 型脈沖反射式超聲波探傷儀。在達到所檢工件最大聲程時，儀器和探頭的組合靈敏度余量應不小于10dB；采用直探頭及小角度斜探頭縱波法分別從高強度螺栓端部進行檢測。

小角度縱波斜探頭選用晶片頻率為5 MHz，尺寸為7mm×12mm，折射角為8.5°。直探頭選用晶片頻率為5 MHz，尺寸根據高強度螺栓規格分別選取6，10，14mm 探頭。

1.4 試塊

試塊的形狀和尺寸見DL／T 694－2012 附錄A。試塊的制造應符合標準GB／T 11259－2008《超聲波檢驗用鋼對比試塊的制作與校驗方法》和JB／T 8428－2006《無損檢測 超聲檢測用試塊》要求。

1.5 檢測靈敏度

采用結構尺寸與被探高強度螺栓相同的無缺陷高強度螺栓，在底部第一、二道螺紋根部制作深1mm人工裂紋（缺陷寬度約0.5 mm ）。調節靈敏度時，人工裂紋最大波高為滿刻度的60%。按高強度螺栓端面的底波波高調靈敏度，試驗得出1 mm人工裂紋的反射波高與端面底波波高的幅值差，檢測時用端面底波作為參考信號調節靈敏度。

使用螺紋反射波調節靈敏度，探頭置于高強度螺栓端面上，調節儀器使熒光屏上相應于高強度螺栓被探測端位置的絲扣反射波幅的60%基準高度作為探傷靈敏度。

1.6 評定

凡判定為有裂紋的高強度螺栓可直接判廢；采用人工裂紋調節靈敏度時，凡信號反射波幅高達滿幅80%時，應判定為可記錄信號；凡信號反射波幅大于或等于絲扣波幅6dB，且指示長度大于10mm時，應判定為可記錄信號；對掃查發現但未達到判定標準的其他反射信號均應進行記錄，以便于復查及后續的質量跟蹤。

1.7 試驗結果與分析

按上述檢測程序，分別對60根高強度螺栓進行超聲波檢測，發現25＃高強度螺栓存在線性缺陷，其反射波型如圖3所示。由此可知，超聲缺陷深度為104.9mm，于是可以判定缺陷位置如圖4所示。

圖3 缺陷反射波型

圖4 缺陷位置示意

2 滲透檢測試驗

將超聲波檢測出缺陷的25＃高強度螺栓拆下，按JB／T 4730.5－2005《承壓設備無損檢測 第5部分 滲透檢測》標準進行滲透檢測。

2.1 滲透劑的選用

選用DPT－5著色探傷劑。

2.2 檢測方法

采用溶劑去除型ⅡC－d滲透檢驗方法。

2.3 檢測工序

首先，將高強度螺栓缺陷部位清洗干凈，使用B型靈敏度試塊檢查其靈敏度是否符合要求。檢驗工序：前處理→預清洗→施加滲透劑→清洗表面多余滲透劑→施加顯像劑→干燥→觀察→后處理。

2.4 試驗結果與分析

按上述滲透檢測程序，對25＃高強度螺栓缺陷部位進行滲透檢測，發現第2道與第3道螺紋根部存在一處約16mm 線性缺陷顯示，如圖5所示。

圖5 滲透檢測線性缺陷顯示

3 結論

風力機塔筒高強度螺栓在運行狀態下，應力集中在螺紋根部。裂紋往往沿著高強度螺栓橫斷面而形成橫向裂紋。

用縱波小角度斜探頭置于高強度螺栓端面檢測，主聲束正好與裂紋垂直時，信號最為強烈，有利于檢出裂紋。將超聲波檢測發現缺陷的高強度螺栓拆下，用滲透檢測方法予以進一步驗證，可提高裂紋檢測的準確性。

先采用超聲波全面檢測，再采用滲透檢測驗證的方法，不僅避免了高強度螺栓的全部拆除，提高了工作效率；又保證了檢測靈敏度和檢出率。超聲波檢測與滲透檢測組合的綜合檢測方法已被廣泛應用到工程實踐中［2］。

［1］李俊峰.中國風電發展報告［M］.北京：中國環境科學出版社，2012.

［2］張建國，高延忠，張瑞剛，等.火電廠汽輪機軸瓦的無損檢測［J］.無損檢測，2013，35（10）：33－34.