650℃镍基高温合金大锻件超声波可探性研究

瞿瑾钰

【摘要】根据我司华能650℃等级超超临界汽轮机研发项目的研发要求，选用具有良好高温稳定性的镍基高温合金锻件做为转子材料，超声波检测将是该转子原材料内部质量检测的重要手段，但由于镍基高温合金材料晶粒粗大且不均匀，且由于锻件直径较大，对使用超声波检测的缺陷准确性影响较大。本文通过对镍基高温合金锻件的试验件进行超声波可探性研究，分析其检测数据，并通过理论计算，确定最佳探头及可探最小缺陷当量尺寸，为后续该

项目实物转子的超声波检测可行性奠定基础。

【关键词】超声波检测、镍基高温合金、晶粒粗大、衰减

1 前言

目前，欧洲、美国、日本和中国都在大力研发先进的650~760℃超超临界机组的相关技术，该技术可将燃煤发电机组的净效率提升至50%以上，将大大降低煤炭消耗量和CO2排放量。

基于我司“华能650℃超超临界汽轮机研发”项目，因转子运行的工作环境较普通燃煤汽轮机组更为苛刻，因此其高、中压转子拟采用开发的HT700系列材料作为华能650℃机组的必选材料，华能HT700系列材料为镍-铁基材料，镍基高温合金材料进行锻制，为保证其质量，使用超声波检测方法将是重要手段。但镍基高温合金材料与普通铁素钢锻件相比，镍基合金材料晶粒粗大且不均匀，造成严重的信号衰减，信噪比较低，伴有较多草状回波，影响对缺陷波的准确判定。

2 国内外镍基合金锻件超声波检测概况

镍基合金材料可参考同类型的奥氏体锻件超声波检测标准，我国JB/ZQ-6159和美国ASTM-A745标准中规定了奥氏体锻件超声波的检测方法及验收标准，但对大尺寸锻件的验收标准相当松，比如厚度大于600mm的锻件，验收标准为φ10mm平底孔当量。而我司常规转子检测标准检测灵敏度最低到达φ1.6mmFBH，单个缺陷最大允许不超过φ3mm当量缺陷。

3 镍基高温合金转子锻件超声波检测试验研究

3.1试验件准备

3.1.1试验件金相组织情况：表面为3级,  1/2半径为1.5-2级，心部为1级

3.1.2试验件规格尺寸：φ655X660mm

3.1.3热处理方法：固溶

3.2 检测设备选取

3.2.1超声波设备：

选择性能良好穿透力强的进口的USN60 VGA型便携式彩屏带方波超声波探伤仪，垂直线性、水平线性及远场分辨率等综合性能都更优于国产常规超声波仪。

3.2.2探头选择： 选择了低频率大尺寸复合晶片的探头：K1SC、K1S、K2SC、B2S共4种探头进行试验研究。

3.3 声学性能研究

3.3.1 声速测试：用4种探头分别在试验件上3个不同位置进行声速检测，检测结果如下：

（1）K2SC，声速（5724m/s）；（2）B2S，声速（5708m/s）；（3）K1S，声速（5688m/s）；（4）K1SC，声速（5704m/s），平均声速为：5706m/s。

3.3.2锻件衰减情况测试

由于试验件为大型轴类锻件，因此衰减系数的公式为：a=

式中 B1、B2——第一、二次底波波幅；

     6——扩散衰减引起的分贝差；

     ——反射损失，每次反射损失约为0.5~1.0dB,这里统一为0.5dB。

     ——工件直径

因此，分别采用选择的4种探头进行测试，结果如下：

（1）K2SC，B1为78%，B2为13%，a（dB/m）为7.35；（2）B2S，B1为88%，B2为12%，a（dB/m）为8.32；（3）K1S，B1为81%，B2为27%，a（dB/m）为2.34；（4）K1SC，B1为78%，B2为27%，a（dB/m）为2.08。

从以上数据看2兆赫探头衰减系数大，1兆赫探头测试的衰减系数偏小，满足NB/T47013标准衰减系数小于4dB/m无需修正要求。

3.4 超探可探性试验分析

3.4.1 检测灵敏度的调整

调整检测灵敏度的常用方法有试块比较和工件底波计算法调整两种。试块调整操作简单方便，但需要加工不同声程不同当量尺寸的试块，成本高，携带不便。同时还要考虑工件与试块因耦合和衰减不同进行补偿。利用工件底波调整检测灵敏度，既不用加工试块，又不需要进行传输修正，因此我们选择了用工件底波法来调整检测灵敏度。

利用底波调节检测灵敏度的计算公式为：△=20lg（χ≥3N）

式中：χ——工件厚度

      D——要求探出的最小平底孔尺寸

因此对试验件分别计算φ1.6mm、φ2mm、φ3mm检测灵敏度，汇总结果如下：

工件直径同为（φ655mm）时（1）K2SC和B2S的增益值，φ1.6mm为53.3dB，φ2mm为49.4dB，φ3mm为42.4dB；（2）K1S和K1SC的增益值，φ1.6mm为59dB，φ2mm为55.5dB，φ3mm为48dB

按上面数据进行检测灵敏度调整时，如果调节底波B1达80%，然后分别按上表数字增加增益值调整检测灵敏度。抗衰减和穿透力强的KISC探头，按φ3mm灵敏度进行调节，发现噪声波已满屏，达不到UT检测要求。

因此可看出，当已选择最小频率探头，按φ3mm灵敏度检测直径在600mm左右的大锻件是不可行的，其余探头则更没法检测。

3.4.2 最小可探缺陷当量尺寸测试

现已知锻件尺寸为φ655X660mm时，最小可检测缺陷的尺寸为多少？我们做了进一步的测试研究。

将不同探头的第一次底波波幅调为40%、杂波波幅40%时的仪器的增益值测试结果如下：

（1）K2SC增益差为18.6dB；（2）B2S增益差为15.3dB；（3）K1S底波增益差为36.8dB；（4）K1SC增益差为39.1dB。

根据公式△=20lg（χ≥3N），已知X=655mm,经计算得出4种探头可检测的最小缺陷尺寸如下：（1）K2SC，φ（11.8mm）；（2）B2S，φ（14.3mm）；（3）K1S，最小可检测缺陷尺寸φ（5.8mm）；（4）K1SC，φ（5.1mm)。

3.4.3结果分析

1.根据衰减系数及最小可探缺陷尺寸的检测和计算，可看出，选择K1SC探头最佳，其次是K1S探头;K2SC和B2S探头都不能满足检测需求，因此不能采用。

2.当锻件直径为655mm时，最小可探缺陷当量尺寸为φ5.1mm,无法达到技术要求，因此对转子锻件可考虑检测中心部位，即检测一半距离（约325mm），则最小可探缺陷当量尺寸约为φ2.5mm。

4 结束语

通过此次镍基高温合金试验件超声波可探性的研究，使用了4种探头进行声速、衰减系数、最小可探缺陷当量尺寸的测试和计算，基本掌握了对镍基高温合金大锻件超声波可探的最小缺陷尺寸，积累了镍基高温合金超声波检测数据和经验，为后续锻件设计尺寸和标准要求提供了依据，为产品实物超声波检测的实际应用奠定了基础。

参考文献

[1]郑晖 林树春.超声检测(第二版)[M].北京：中国劳动社会保障出版社,2008.

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[3]DB QN1002-2017超声波检测通用规程[S].

[4]NB/T 47013.3-2015 承压设备无损检测第3部分：超声检测[S].

[5]JB/ZQ 615-85奥氏体锻钢件的超声波检验方法[S].