螺栓超声探伤新工艺应用1 引言进入80年代以来，我国单机容量300MW气轮机组越来越多，机组的安全性、可靠性、稳定性就显得越来越重要。
为了保证大机组高温螺栓的安全运行，把好机组检修中的高温螺栓监督质量的检验关，电力系统多年来一致采用传统方法检测大机组高温螺栓，工艺上存在很大的弊病和不足，其主要原因是螺栓结构型式杂乱，难以采用简单的分类方法规范化，对螺栓探伤的认识和重视不够，认为螺栓探伤很简单，不重视基础试验，国内螺栓探伤也没有导则可依。
90年代以来国内对螺栓超声检测技术做了许多研究工作，取得了一些成果，但均未达到工程应用的程度。
到90年代末，国内有关单位进行了螺栓超声检测的研究，研究工作系统、完整，能在工程检测中广泛采用。
此次在大坝电厂#2机组大修中首次采用螺栓探伤的新技术，目的就是使此项技术能够达到工程检测应用的要求，以解决长期困扰传统螺栓探伤工艺的难题。
2 探伤仪和探头2.1 探伤仪采用A型脉冲反射式汉威数字WHS500型超声波探伤仪。
如图1所示图1所示汉威数字WHS500型超声波探伤仪2.1.2 仪器和探头的组合灵敏度，在所探螺栓最大声程处，有效灵敏度余量; 纵波斜探头≥10db;横波斜探头≥10db.2.2探头2.2.1本方法采用小角度纵波斜探头与横波斜探头.两种探头均按照大坝电厂#2机组螺栓规格按照设计要求在生产厂家制造，选用钛酸铅(PT)做晶片材料如图2所示。
2.2.2本方法使用小角度纵波斜探头与横波斜探头其声束水平偏离角的要求: 将探头置于标准试块上探测棱边，反射波最大时，探头中心与被测棱边的夹角应在90±2°范围内，且主声束在垂直方向,不应有明显的双峰或多峰。
图2所示特制的小角度纵波斜探头与横波斜探头3 试块3.1试块的形状和尺寸见图3和图4，图3为螺栓探伤的专用试块（LS-1），图4为螺栓探伤的便携式专用试块（LS-2）。
图3为螺栓探伤的专用试块（LS-1）图4为螺栓探伤的便携式专用试块（LS-2）图5为螺栓探伤特制的βL=8.5°纵波斜探头3.2 LS-1螺栓探伤的专用试块，主要用于探伤仪及探头性能的测定，并根据螺栓规格在试块上调整扫描速度和校准探伤的灵敏度。
3.3 LS-2螺栓探伤便携式专用试块，主要用于现场测定探头参数，调整扫描速度和校准探伤的灵敏度，或进行灵敏度跟踪。
4 探伤前的准备4.1探伤前必须了解被探螺栓的名称、规格、材质及螺栓的结构型试见下表1及图5螺栓的名称、规格.图5 螺栓的名称、规格4.2探伤前应清除被探螺栓在探头移动范围内的锈蚀、氧化物。
耦合剂应具有良好的湿润能力和透声性能。
4.3探头的选择：纵波斜探头：按照设计要求 f=5MHz，晶片尺寸 7×12mm, 9×12mm, 13×13mm, 折射角βL=8.5°在制造厂家定做。
其中晶片尺寸 7×12mm, 适用于≤M56的螺栓晶片尺寸 9×12mm, 适用于M56-M64的螺栓晶片尺寸 13×13mm, 适用于≥M76的螺栓横波斜探头：f=5MHz，晶片尺寸 8×12mm, K=1.5-2.0。
纵波斜探头适用于：无中心孔钢性螺栓，无中心孔柔性螺栓本侧。
横波斜探头适用于：M56以上的柔性有中心孔螺栓对侧探伤.图6 纵波斜探头探伤螺栓波形图表1大坝电厂#2机组汽轮机高压螺栓名称螺栓规格螺栓材质数量螺栓形式高压外缸. M110×4×1470 20Cr1Mo1VTiNbB 32 有中心孔柔性螺栓M110×4×1270 20Cr1Mo1VTiNbB 12 有中心孔柔性螺栓M130×4×730 20Cr1Mo1VTiNbB-5 14 有中心孔柔性螺栓高压内缸M110×4×590 20Cr1Mo1VTiNbB-5 4 有中心孔柔性螺栓中压外缸. M85×4×765 25Cr2MoV A-5 30 有中心孔柔性螺栓中压内缸. M85×4×475 20Cr1Mo1VTiNbB-5 16 有中心孔柔性螺栓M64×4×430 20Cr1Mo1VTiNbB-5 2 有中心孔柔性螺栓M64×4×570 20Cr1Mo1VTiNbB-5 2 有中心孔柔性螺栓高压主汽门.M76×4×495 25Cr2Mo1V 32 有中心孔柔性螺栓高压调速汽门.M42×4×172 20CrMoVTiNbB 80 无中心孔刚性螺栓高压导汽管.M64×4×480 20Cr2Mo1V 32 有中心孔柔性螺栓高导栽丝M56×4×320 20Cr2Mo1V 32 有中心孔柔性螺栓中压联合汽门栽丝M56×4×270 20Cr1Mo1VTiNbB-5 72 有中心孔柔性螺栓中导阀兰. M42×4×240 20Cr2Mo1V 32 无中心孔刚性螺栓中压导汽管栽丝M56×4×340 #45 32 有中心孔柔性螺栓中压汽缸. M72×4×350 #45 12 有中心孔柔性螺栓M64×4×285 #45 18 有中心孔柔性螺栓M64×4×410 #45 18 有中心孔柔性螺栓5 探伤工艺5.1探头参数的测定5.1.1探头前沿长度的测定探头置于LS-1试块上R50和R100圆心位置Ⅰ,见图3,探头前后移动,当试块上R50和R100圆弧反射波达到最强点时,则圆弧上圆心对应的探头位置即为探头的入射点,此时所测量的前沿L.即为探头的前沿长度.5.1.2探头折射角的测定5.1.2.1利用LS-1试块上深度为40mm的ф1孔测定探头折射角βL。
5.1.2.2 以试块上深度为40mm的ф1孔测定探头折射角βLs其方法如下：将探头置于LS-1试块上位置Ⅱ、Ⅲ见图3, 仔细移动探头前后，使深度为40mm的ф1孔测定反射波达到最强点时,测量的前沿至试块端面的距离L.折射角βLs按照下式计算；βL=tg-1k= tg-1(L+L-80)/40 K=(L+L-80)/405.2扫描速度的调节利用LS-1试块上深度为40mm和80mm 的两个ф1孔，按深度进行扫描速度的调节，扫描比例可根据螺栓规格和探伤需要来选择1：1、1：2、1；4等。
调节方法：先将探头置于深度为40mm的ф1孔，使其反射波达到最强点时，用水平测定探头折射角βL...5.3探伤灵敏度的确定螺栓规格螺栓型式探伤位置探伤灵敏度缺陷检出能力(mm)判伤界限裂纹比丝扣波强(dB)≥M42无中心孔钢性螺栓对侧ф1 –6dB 1.0 ф1-6dB ≥6≥M42无中心孔柔性螺栓本侧对侧ф1-6dBф1-14dB1.0ф1-6dBф1-6dB≥6≥M56 有中心孔柔性螺栓本侧ф1-6dB 1.0 ф1-6dB ≥6图7 横波探伤图8 横波探伤螺纹丝扣波形5.3.2横波探伤灵敏度采用横波探伤一般以探伤部位的丝扣来调整探伤灵敏度,可将最强丝扣波调到6格高。
当螺栓出现裂纹时，其后面紧邻的第一个丝扣波将裂纹遮挡，裂纹较大时，第二、第三的丝扣波也将被裂纹遮挡，根据裂纹波与裂纹后第一个丝扣波的信号比≥6dB来判断，该方法能发现≥1 mm的裂纹。
5.4探头位置及探头移动范围两端平面无中心孔钢性螺栓采用纵波斜入射探头扫查对称侧裂纹。
无中心孔柔性螺栓，采用纵波斜入射探头由平头侧可一次扫查对称侧与本侧裂纹。
否则采用横波斜入射探头扫查对称侧。
扫查时，探头移动速度不大于15mm/s,横波斜入射探头沿螺栓光杆外圆周移动时，探头始终与螺栓轴向平行。
6传统检测方法与新工艺方法比较6.1传统检测方法纵波直探头扫描：一般采用5P,ф20,ф14,ф10参照螺栓底波或人工槽、齿波进行探伤灵敏度调整。
6.1.1较小螺栓端面能放置较大直径的探头，使晶片外露，声速指向性变坏，一定程度上限制了纵波探伤的检测范围，使M48-M56有中心孔螺栓无法自端面检查。
6.1.2.纵波接受的来自螺栓内壁及外侧齿根，使裂纹波声程基本相同，从波形上无法区分裂纹的位置。
6.1.3.波束发散，杂波及变形波充斥屏面，对较小裂纹而言，信噪比低，分辨能力差。
6.1.4无法测定裂纹指示长度。
6.1.5.实测模拟裂纹声压比小角度纵波斜入射探头灵敏度低4-6dB.6.2横波探头扫查把发现裂纹讯号作为唯一的判伤依据,实际上不能发现较小裂纹反射波。
判伤仅能定性判断裂纹有无，基本上无法定量。
6.3新工艺方法纵波斜探头扫查:采用5P，晶片尺寸：7×12，9×12,13×13,βL=8.5°6.3.1对探头搁置面积要求比纵波探头低，≥M32以上所有螺栓均可由端面检查.6.3.2小角度纵波具有方向性，能根据方向直接定出裂纹的位置。
6.3.3能迅速地测定裂纹的指示长度。
.波束集中，指向性好。
发现较小裂纹的能力强，信噪比高，分辨率较好,比纵波探头信噪声比高4-6db6.3.4横波探头扫查：以螺栓齿波为调整依据，当发现可疑讯号时，根据可疑讯号对后齿波的遮拦程度以及指示长度值，判断是否为裂纹以及裂纹的深度。
7工程检测实践应用2001年6月，应用此项技术对大坝电厂#2机组大修中汽轮机组近368个规格不同的螺栓进行了超声波检验。
发现中压内缸有1根M85×4×475.有裂纹信号；高压调速门有4根M85×4×475.有裂纹信号；高压主汽门有10根M76×4×495有裂纹信号；后经表面着色探伤本次检验实际记录如表3所示。
选取其中有缺陷记录的螺栓如图7所示。
表3 本次检验螺栓实际统计记录图9有缺陷记录的螺栓8结论8.1应用特制的纵波斜探头，配接HS-500型数字探伤仪器有较高的信噪比，能较好地减弱晶间散射回波的影响，消除“形似”信号的干扰，用于螺栓的检验，可获得良好的对缺陷检出能力。
8.2选用钛酸铅(PT)做晶片材料，均能获得较高的灵敏度和信噪比。
8.3用β=8.5°纵波斜探头对螺栓探伤检验是最为适宜的，为保证声速扫查到整个检测截面和照顾到缺陷的方向性。
8.4采用了特制的小角度纵波斜探头和横波探头，实施了小角度纵波探伤方法配合横波探伤综合检测新工艺，解决了现场传统螺栓超声探伤工艺存在的弊端。
在机组大修中进行了应用，取得了良好的检测效果。
作者简历方建文，1966.10.21生，1987.7毕业西安电力学校热能动力专业。
1998.6毕业于华北电力大学热能动力专业(函授)，大专学历，工程师。