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(福建省電力有限公司 電力科學研究院,福州 350007)
某新建LNG電廠投運后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)燃機過渡段螺栓斷裂脫落。為防止該種螺栓突然斷裂導致機組意外停機,電廠計劃定期對其進行超聲波探傷,及時更換已產(chǎn)生小裂紋的螺栓。但該種螺栓數(shù)量大,不可能在短暫的停機時間里全部拆卸下來并完成探傷工作,因此只能在不拆卸的狀態(tài)下進行超聲波探傷。
針對該種螺栓的具體結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)及檢測條件,筆者將在合理分析的基礎(chǔ)上,通過試驗研究,確定一種合適的檢測方法,實現(xiàn)對燃機過渡段螺栓的原位超聲波探傷。
在役燃機過渡段螺栓的安裝狀態(tài)如圖1所示,具體結(jié)構(gòu)及實測尺寸如圖2所示。從受力分析角度考慮,在工作狀態(tài)下,螺栓主要承受拉應(yīng)力,且螺栓上存在兩處應(yīng)力集中處,即圖2所示的A、B處。因此使用過程中這兩個位置最易產(chǎn)生垂直(或近似垂直)于螺栓軸線的裂紋(即橫向裂紋)。這一點可以從螺栓的實際斷裂情況得到印證。故筆者將著重對A、B處橫向裂紋的檢測進行研究。
圖1 燃機過渡段螺栓安裝情況及探傷位置示意圖
圖2 燃機過渡段螺栓結(jié)構(gòu)示意圖
按照要求,燃機過渡段螺栓須在不拆卸的狀況下進行超聲波檢測。結(jié)合圖1所示的實際檢測條件,參考標準DL/T 694—1999《高溫緊固螺栓超聲波檢驗技術(shù)導則》以及其它相關(guān)的研究工作[1-3],筆者計劃選用直探頭和小角度縱波探頭進行試驗研究。
由于只能從螺栓六角頭頂端進行檢測,如果A處存在橫向裂紋,小角度縱波探頭因為沒有反射條件而無法獲得裂紋的反射波(A點處小角度縱波探頭始終只能獲得螺栓六角頭下端角的反射波)。故A處橫向裂紋不采用小角度縱波探頭進行檢測。而螺栓的其余位置,理論上縱波直探頭及小角度縱波探頭均能實現(xiàn)對橫向裂紋的檢測。
基于上述考慮,制定如下試驗步驟:
(1)通過對比不同探頭對B處橫向裂紋的檢測情況,確定合適的探頭。
(2)采用上面確定的探頭,對圖2所示C,D處橫向裂紋檢測情況進行分析,確認該探頭是否適合螺栓上A處以外其余所有位置的檢測。
(3)通過對A處的深入分析,結(jié)合試驗情況,確定合適A處橫向裂紋檢測的探頭。
選用Krautkramer公司生產(chǎn)的USM35數(shù)字超聲波探傷儀。
根據(jù)圖2所示的螺栓實測數(shù)據(jù),可知螺栓長51.5 mm,光桿及螺牙根部直徑為12.5 mm,故縱波小角度探頭的角度θ≤arctan(12.5/51.5),即θ≤13.6°,因此選擇以下三個探頭:5P7×12的4°縱波斜探頭、5P8×12的12°縱波斜探頭和5P6直探頭。
采用φ0.18 mm絲徑的線切割分別在4根燃機過渡段螺栓的A,B,C,D處(圖2)加工一條1 mm深的橫向模擬裂紋。
規(guī)定下文中提到的缺陷波幅均以對應(yīng)試樣的無缺陷處底波(B)為基準,表示為(B±n)dB。
分別利用三個探頭對試樣b進行檢測,具體結(jié)果見表1??梢钥吹?,對于B處1 mm深模擬裂紋,直探頭基本上檢測不出來,4°探頭檢測出來的最強缺陷波比無缺陷處底波小17 dB,12°探頭檢測到的最強缺陷波比無缺陷處底波小7.5dB。很明顯,12°縱波斜探頭具有最高檢測靈敏度。故對B處的檢測確定選用5P8×12的12°縱波斜探頭。
表1 不同探頭對各試樣的檢測結(jié)果
由表1還可以看到,采用5P8×12的12°縱波斜探頭檢測時,試樣c,d中模擬裂紋最強波分別比無缺陷底波小1.5和4 dB,可見該探頭對C,D處模擬裂紋波的檢測具有足夠的靈敏度。因此結(jié)合圖2中B,C,D的位置分布,可以得到如下結(jié)論:5P8×12的12°縱波斜探頭對于該燃機過渡段螺栓上A處以外其余各處的橫向裂紋均有較高的檢測靈敏度。
從圖2可以看到,螺栓六角頭下端面與螺桿之間形成一個小臺階,如果這個臺階的寬度小于直探頭的聲束直徑,則直探頭從六角頭頂部檢測時,將無法獲得整個聲束的反射波,而如果六角頭下端面的某處出現(xiàn)垂直于軸向的裂紋,那么裂紋處的臺階寬度增大,即該處被反射的聲束截面積增大,顯然該處反射波將比無缺陷處大?;诖朔N考慮,故使用5P6直探頭對試樣a進行檢測。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),1 mm深模擬裂紋處的反射波幅為一次臺階波+5 dB(見圖3和4)。該結(jié)果驗證了上述分析的正確性,說明5P6直探頭能夠有效發(fā)現(xiàn)A點處存在的1 mm深橫向裂紋,從而彌補了小角度縱波探頭的不足。
圖3 5P6直探頭檢測時螺栓六角頭下端面無缺陷處最強臺階波顯示圖
綜上所述,聯(lián)合使用5P8×12的12°縱波斜探頭和5P6直探頭可實現(xiàn)對燃機過渡段螺栓原位超聲波檢測,及時發(fā)現(xiàn)螺栓各個位置上可能存在的深度1 mm及以上的橫向裂紋。
圖4 5P6直探頭檢測時螺栓六角頭下端面1 mm深模擬裂紋處最強臺階波顯示圖
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