镍基合金螺栓超声波检测工艺方法分析

秦绍祥

摘要：在实际检测的过程中，因为螺栓本身的几何尺寸、晶粒度大小和声音速度的变化情况都会有所不同，所以对镍基合金螺栓超声波检测工艺进行研究显得尤为重要。也会对后续检测有直接借鉴的作用。

关键词：镍基合金；螺栓配件；超声波检测；检测工艺；分析策略

引言：

目前，我国火电超临界机组的容量已经介于600MW-1000MW之间，且机组内部的参数和温度压力也有了很大程度的提升。所以在实际检测的过程中，大量耐高温的合金材料都广泛被使用。这些材料合金元素的百分比大都被控制在10%左右。但是使用这些合金材料来制造的部件在使用的过程中会出现汽缸螺栓断裂和中调门螺栓断裂的问题。又因为这些材料本身的螺栓晶度和力度较为粗大，且内部结构显得较为复杂。如果仅仅采用单一的超声检测方法很难实现全面检测。因此对镍基合金螺栓超声波检测工艺进行研究非常重要。

1.镍基合金螺栓概述

与镍基合金螺栓有关的检测方法主要是由尺寸检测、机械性能检测、化学成分检测、外观检测、表面质量检测、光谱检测和化学元素检测等不同的检测方法构成。在实际检测的过程中一定要根据不同的情况选择合适的检测方法。另外，磁粉探伤也被常用在镍基合金螺栓检测的过程中。主要可以针对螺栓内部裂纹、混料和夹渣等不同缺陷来进行检测。在适当的光照下才会显示出缺陷的位置和形状，最终剔除不良品。

2.最常用的几种镍基合金螺栓的参数

表1显示了几种最常用的镍基合金螺栓的参数，具体如下所示：

表1最常用的镍基合金螺栓的参数

从表1可以看出这几种镍基合金的晶粒度和实测声速都显得较为类似，但是这几类镍基合金在使用的过程中容易产生裂纹。而也只有选择合适参数的螺栓才能够使得检测的过程更加顺利地得以进行。

3.常用的镍基合金螺栓超声波检测方法

3.1小角度纵波检

在运用小角度纵波检测的过程中，需要结合考虑到探头选择、探头参数测定、扫描速度调节和探头灵敏度确定等方面的内容。

1）探头选择：镍基合金高温螺栓探头折射角一般取60～120，频率为2.5MHZ，探头晶片尺寸根据螺栓规格选择，见表2

表2小角度纵波斜探头晶片尺寸的选择

2）仪器的选择：根据检测需要选择合适的探伤仪。灵敏度余量，在到达所探螺栓最大检测声程时，其有效灵敏度余量应不小于10dB。分辨率，小角度纵波斜探头和直探头的远场分辨率不小于30dB，爬坡探头和横波斜探头的分辨率不小于6dB。探伤仪和探头的组合频率与公称频率误差应不大于。

3）小角度纵波检测灵敏度选择：小角度纵波检测灵敏度采用LS-Ⅰ试块调整。方法是：将LS-Ⅰ试块上与被检螺栓最远端螺纹距离相近的￠1mm横孔最高反射波，调整到80%屏高作为基准灵敏度，再根据螺栓的规格和结构形式提高一定的增益作为检测灵敏度。可参照表3选择。当检测范围超过200mm时，每增加100mm应在原有的检测灵敏度上再增加1dB。

表3小角度纵波检测灵敏度选择

3.2横波检测

横波检测比较适合检测端面为球型的螺栓和探头没有被搁置在平台上的螺栓内部的裂纹。另外，根据实际情况，横波检测还能够用来检测螺栓中心孔内壁的裂纹和光杆范围内的裂纹。图1有效地显示了可以用横波检测的主要裂纹类型。

从实际使用的情况来看，横波检测的优点主要包括如下几个方面：第一，测试的过程较为方便，且无需试块，从而避免产生声速修正的现象。第二，可以根据缺陷波后面的丝扣波的范围来估算缺陷的面积尺寸，并直接确定缺陷的长度和缺陷的性质。

横波检测的缺点如下：如果镍基高温合金螺栓内部直径大于100mm，且内壁厚度随着外径的增大而不断地增加时，波动态的范围没有办法有效地被确定。

图1横波检测裂纹波形示例

3.3爬波检测法

在检测镍基合金螺栓的过程中如果能够有效地采用爬波检测法，就能够在第一时间减少粗晶材料内部产生的衰减现象。但是如果晶粒过大则没有办法直接采用横波检测法，这时就可以采用爬波检测法。在使用爬波检测法进行检测之前，需要让螺栓齿根和螺栓端面的高度差始终小于1mm.如果此时齿根处和螺栓杆端面的高度差距变大，且内部的深度变小，则内部的裂纹就很难在第一时间被检测出来。图2有效地显示了用爬波检测法来检测裂纹波形的案例。

图2爬波检测裂纹波形实例

从使用的情况来看，爬波检测的优点主要包括如下几个方面：第一，能够通过显著地降低草状的杂波来提高内部信噪比和检测的灵敏度[2]。第二，由于采用低频双晶的探头进行检测，不仅能够使得缺陷波型变得更加清晰，还能够直接确定缺陷指示的长度。

爬波检测的缺点为如下几点：第一，如果螺栓齿部的缺陷小于1mm，且有效检测距离一直被控制在50mm，则只能够检测螺栓内部的1-10丝扣。第二，在实际检测的过程中一定要让爬波探头的弧面和螺栓的光杆面相互吻合，不然就会制造出更多的噪声，检测细小裂纹的能力也会因此而下降。

4.实际案例运用

某发电厂一个机组气缸螺栓的功率为1000MW，且内部的主要规格为M155×1060mm。不仅中心孔的两端为平面，而且齿根部和光杆高度的差较小。不仅螺栓内部的金相组织较为粗大，且晶粒度被控制在1-3级之间。图3显示了金相组织的形态。

在实际检测的过程中可以采用以下的步骤进行检测：第一，先采用爬波检测法进行检测，并将爬波的光束和螺栓表面始终呈现85度的折射角，但是在检测的过程中却并没有发现缺陷。后来在继续检测的过程中，在12-15丝扣的位置却发现了连续缺陷的可疑信号。缺陷内部反射波的波幅与低于1mm模拟裂纹的反射量相当，最终指示的长度为150mm，此时可以怀疑内部确实存在缺陷。第二，在爬波检测法检测完成之后配合横波检测法。但是由于内部的晶粒显得非常粗大，所以丝扣波不能够在第一时间呈现指数衰减型的波型[3]。第三，采用频率为2.5MHz，晶片尺寸为18mm×18mm的小角度纵波探头进行检测。在检测之后却发现内部中心孔内部存在较大的裂纹，甚至会因此发生回波反射的现象。后来在实际分析和解剖的过程中发现，裂纹在距离刀槽大约14丝扣的位置，整体裂纹的长度为162mm。

图3GH4169螺栓金相组织形貌

5.结束语

综上所述，本文结合实际案例具体分析了镍基合金螺栓超声波检测工艺。从实际使用的过程来看，常用的镍基合金螺栓超声波检测工艺主要是由小角度纵波检测法、横波检测法和爬波检测法组成。在实际应用的过程中都能够被广泛地应用于不同类型的镍基合金螺栓检测过程中，并发挥更大的作用。

参考文献：

[1]关卫和，阎长周，陈文虎，等.高温环境下超声波横波检测技术[J].压力容器，2016(5)：139-144

[2]赵英和.秦皇岛热电厂高温镍基合金螺栓断裂原因分析[J]].中国电力，2016（5）：59-64

[3]贺潜原,刘德荣.爬波及其应用[J].无损探伤，2017（6）：198-203