摘要：通过对刚性螺栓及柔性螺栓使用中容易出现裂纹缺陷部位的分析，根据螺栓的结构特点、探头的特性，采用横波斜探头和纵波斜探头对螺栓进行超声波探伤的方法，检测中以丝扣反射波来调整横波探伤的灵敏度，以及缺陷波、变形波的识别方法作为重点，从而有效检测出裂纹缺陷。
关键词：高温紧固螺栓；裂纹；超声波检验
1.超声波探伤的依据
超声波探伤的依据汽轮机高温螺栓的结构多为刚性或柔性双头螺栓，材料为2Cr12NiMo1W1V、45Cr1MoV等，经调质处理，一端旋紧在缸体上，另一端用螺母紧固。刚性螺栓在拧紧状态时，螺栓的变形主要集中在螺纹根部，允许的变形量小，螺纹处的应力集中更为明显，由于螺栓根部产生的裂纹通常出现在螺栓紧固结合面附近，且沿着螺栓的横端面发展成为横向裂纹，用纵波小角度斜探头放在螺栓端面上检测，主声束正好与裂纹垂直，信号非常强烈，有利于发现裂纹，虽然探头的扩散声束能射到螺栓的螺纹面上产生回波，形成螺纹杂乱信号，会使声束指向性变差，影响对裂纹的判断，但当螺纹根部存在裂纹时，这种杂乱回波的规律将被破坏，因此可根据杂乱回波的规律是否被破坏来判断螺纹根部是否有裂纹[1]。柔性螺栓在拧紧状态时，螺栓的变形主要集中在螺杆部，允许的变形量明显升高，可有效改善螺栓的受力状态。采用横波斜探头放在螺栓的光杆部位进行检测也能检出螺栓根部的裂纹。
2.探头的选用
探头声束指向性的好坏直接影响着裂纹杂乱回波的强弱，即声束指向性愈好，杂乱回波愈弱;反之愈强。为减少螺纹杂乱回波，必须期望探头有好的指向性，提高正常螺纹回波与齿根裂纹回波的分辨率，选择探头参数非常重要，原则上应考虑以下几点[2]:
(1)考虑检出率及声束指向性，应选用较高频率的探头。
(2)纵波小角度斜探头的声束轴线对准螺纹根部裂纹时检测灵敏度最高，优于纵波直探头，其纵波折射角应视探测的螺纹区长度及端面直径来确定，一般取β为8.5°，频率为5MHz，晶片尺寸根据螺栓规格选择，当螺栓规格为小于M56，M56~M100和大于M100时，晶片尺寸分别对应选取7mm×12mm，9mm×12mm和13mm×13mm。
(3)横波斜探头的K值一般取1.5，选频率为5MHz，晶片尺寸为8mm×12mm，对于直径大于M100的螺栓，选用2.5MHz的斜探头。
3.扫描线和探伤灵敏度的调节
用深度比例调试螺栓检测扫描线，尽量将反射回波展开，使每个螺纹回波清晰可辨，通常使螺栓端面第一次回波处于靠近时基线最大刻度处。
探伤灵敏度调节方法:以探伤部位螺纹根部反射波来调整探伤的灵敏度。具体方法:找到探伤部位的螺纹根部反射波，前后移动探头，使反射波最高，然后调节衰减器，将螺纹根部反射波调到60%的屏高即可。
4.探头的位置及扫查方式
两端面为平面的螺栓采用纵波斜入射探头在一端面扫查对侧;端面无法放置纵波探头时，应采用横波斜探头扫查，如图1(a)，(b)所示。
图1超声波探头位置及扫查方式
用横波斜探头扫查时，调整好探伤灵敏度，找到被探部位的螺纹根部反射波，探头沿螺栓光杆外圆周向移动，前后略作移动，绕螺栓扫查一周，如图1(c)，(d)所示。
5.横波探伤时螺纹部位裂纹的识别
当螺栓某个螺纹根部出现裂纹时，其后邻近的第1个螺纹反射波被裂纹遮挡，当裂纹较大时，第2个、第3个螺纹反射波也将被遮挡，如发现缺陷的反射波幅与其后的第1个螺纹的反射波幅之差不小于6dB，且指示长度不小于10mm，即可判定为裂纹，见图2。
6.裂纹波的识别
(1)波形:因裂纹面垂直声束，故裂纹波形清晰、陡直、尖锐。
(2)部位:一般出现在结合面第1，2道螺纹处。
(3)声程:从两端面探伤裂纹波的声程之和等于螺栓长度。
(4)底波变化:对于较大裂纹，底波明显减弱甚至消失。
(5)螺纹回波的变化:紧靠裂纹波的螺纹波由于裂纹的遮挡减弱或消失。
根据裂纹回波的特点，对比有螺纹根部裂纹与无螺纹根部裂纹反射波的差别，不难判断螺纹根部裂纹的存在与否。正常情况下无螺纹根部裂纹反射波形为荧光屏上出现多次且有一定规律的螺纹反射波。当有螺纹根部裂纹存在时，这种规律会被打破，而出现个别高出周围螺纹反射回波的反射波，或因裂纹反射波的遮挡而在这个较高反射波后面的螺纹回波消失。
7.假信号的识别
在螺栓螺纹根部的探伤中,除了底波和纹波以外,还要对以下主要的假信号进行识别.第一,螺栓颈部与螺纹之间过度圆弧反射信号,用手指沾油触及过度圆弧,并观察波形变化;第二,变形波,用手指沾油拍打产生反射波部位,看波峰是否跳动,若跳动,可判断为变形波,看此波是否在同一位置出现,出现可视为缺陷波,若消失可视为变形波.
8.检测分析
根据上述检测方法，利用小角度纵波斜探头从螺栓两端部对某核电站的汽轮机的24根高压缸内缸螺栓进行超声波检测。在进行超声波检验之前，经过目视方法的检测，发现由于螺纹根部表面杂质无法清理干净且螺栓没有出现任何变形，所以目视检测没有发现任何异常。但是经过超声波检测，结果发现其中3根高压缸内缸螺栓的内部存在裂纹，指示长度分别为70，90，120mm，超声波检测显示信号，通过对上述的3处超声波超标检测信号进行解剖，发现确实存在疲劳裂纹。通过对裂纹的超声波信号分析，发现当螺栓某个螺纹部位出现裂纹时，裂纹反射波会比螺纹反射波高出很多，具有很高的信噪比，而且其后邻近的第1个螺纹反射波被裂纹反射波遮挡，当裂纹反射波较大时，其后的几个螺纹的反射波也被阻挡，这样为判定该信号是否是裂纹信号提供了更直观的依据，
9.结论
通过以上检测发现超声波检测以下特点:
(1)小角度纵波探头对齿根及内部裂纹的检测具有灵敏度高和波形分辨清晰的特点。
(2)能够检测目视、渗透或磁粉无法检测到的内部危险性的疲劳裂纹。
参考文献
[1]陈国达;郗枫飞;计时鸣;曹慧强.螺栓无损检测方法综述![J].制造技术与机床.2017(11)
[2]陈烨;李红浪;何世堂.表面横波生物传感器的灵敏度分析[J].微纳电子技术.2007(Z1)
[3]王维国;朱晓伟.厚壁管变形横波周向超声检测工艺及缺陷定位系统开发[J].中国特种设备安全.2013(11)
论文作者:于辉刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：裂纹论文; 螺栓论文; 螺纹论文; 反射论文; 回波论文; 根部论文; 纵波论文; 《电力设备》2018年第20期论文;