周健敏-螺栓超声波检测
浅析核电厂汽轮机螺栓超声波检测应用
浅析核电厂汽轮机螺栓超声波检测应用摘要：结合核电厂汽轮机在役过程中螺栓易产生的缺陷及螺栓超声波检测的实际应用，叙述各种常用超声波检测方法的适用条件、技术特点，对螺栓超声波检测常用方法进行分析比较和缺陷波的识别，对于现场检测具有指导意义。
关键词：在役；螺栓超声波检测；缺陷波引言螺栓紧固件作为核电厂汽轮机的重要部件，在高温高压极为苛刻环境下使用，应重点关注应力集中部位的检查。
螺栓的表面检测一般采用磁粉检测中的线圈法和轴向通电法，磁悬液选用灵敏度较高的荧光磁悬液，但表面检测不仅工作量大且工序繁琐检测效率低。
超声检测克服了这些不利因素，能够快速并可靠的检出螺栓的裂纹缺陷，在核电厂在役检查中起到了关键的作用。
1 螺栓的分类及缺陷1.1 螺栓的分类核电厂汽轮机螺栓按照结构一般分为刚性有中心孔螺栓、刚性无中心孔螺栓、柔性有中心孔螺栓、柔性无中心孔螺栓。
中部光杆部位的直径等于端头螺纹外径的螺栓属于刚性螺栓。
中部光杆部位的直径小于端头螺纹外径的螺栓属于柔性螺栓。
螺栓按照材质基本分为低合金钢螺栓、马氏体钢螺栓及镍基高温合金钢螺栓。
核电厂汽轮机中螺栓检测主要包括气门螺栓，中分面螺栓、导气管螺栓、对轮螺栓等，其中高压缸中分面M100以上螺栓及中间汽封体中分面螺栓的材质均属于马氏体钢范畴。
1.2 螺栓的缺陷刚性螺栓由于结构原因，受力主要集中在螺纹处，在大修拆装和运行过程中容易在螺纹根部断裂，因此核电厂中极少使用刚性螺栓。
柔性螺栓在拧紧状态下，主要受力集中在螺栓光杆部分，机组运行状态下安全裕度较大，被广泛使用。
螺栓在役过程中由于大修的拆装和使用温度的升降，受到的应力较为复杂，主要的缺陷有螺纹齿根裂纹、中心孔内壁裂纹、疲劳裂纹、蠕变和热脆等引起的裂纹等。
对于高温紧固件螺栓来说，裂纹的检测尤为重要。
2 常用检测方法分析2.1小角度纵波法小角度纵波法适用于柔性螺栓的本侧检测。
对于无中心孔柔性螺栓检测，检测螺栓的规格和长度有一定的要求，尤其是马氏体钢及镍基高温合金钢螺栓，对侧的检测长度不能大于250mm。
螺栓轴向应力的超声波测量
螺栓轴向应力的超声波测量王路①季献武张道钢扬启璋上海医疗器械高等专科学校（上海200093）华东电力试验研究院（上海200433）河北电力试验研究所（石家庄050021）北京电力科学研究院（北京100045）一些设备上的关键螺栓安装或紧固时，人们希望能直接准确地控制螺栓的轴向应力，以保证其工作的可靠性，这点对电力设备尤其具有重要的意义。
用超声波技术研制成功了一种可直接测量螺栓轴向应力的螺栓轴向应力仪，该仪器可广泛应用于关键设备的紧固测试，进而精确地控制螺栓轴向应力。
对用超声波技术测量螺栓轴向应力的基本原理进行了介绍，并给出了超声波螺栓轴向应力仪应用实例。
螺栓轴向应力直接测量超声波技术螺栓作为一种紧固件广泛应用于大型机械设备、发电机组、桥梁及航空航天器件。
目前人们通常使用力矩板手安装螺栓，由扭矩推算出螺栓的轴向应力，但这种方法间接得到的轴向力并不可靠，且力矩板手本身需要定期由较复杂的设备检验、校准。
即便如此，实际工作中众多的影响因素还使得扭矩与螺栓的轴向应力不能一一对应。
许多情况下，安装者用大锤凭经验击打板手对螺栓实施紧固，很不准确。
因此迫切需要发展一种无损、快速有效的、能直接测量螺栓紧固应力的新手段。
超声波是一种有效的工业测量用物理量，用超声波可探测构件内部的损伤及组织结构，还能测量流量、温度、厚度及应力等。
有关超声波测应力的方法早就有人提出，这种方法的优点是以被测对象自身为敏感元件，能够探测构件内部的应力。
超声波测螺栓轴向紧固应力是一种研究较久且有一定成效的技术，它是超声波测量应力研究领域里最有希望得到工业性广泛应用的技术手段。
以前人们较多在理论上对声速与应力关系进行研究探索，而对工程上的狈赋方法、手段、仪器的实现及实际使用中存在的问题研究得较少，这使得超声波测螺栓紧固应力手段没能在工程上推广。
本文作者用超声测量螺栓轴向紧固应力的研究工作，给出了若干螺栓材料的紧固力与超声波的关系，分析了实际应用中可能出现的误差因素，并对电站用螺栓进行了的超声波测螺栓紧固应力（一种拉伸应力）工作中，超声波传播方向与应力方向一致（忽略螺栓扭转应力的影响），这时纵波声速（以下简称声速）与应力的近似关系为：①注：参加工作的还有沈金坤。
超声波螺栓检测
宝钢化工公司K2201反应塔螺栓的超声波检测宝钢化工公司K2201反应塔为煤炼焦的副产品反应容器，其工作状态为高温高压，III 类容器，在法定检验过程中，按《压力容器定期检验规则》规定，对高压螺栓应逐个清洗检查，必要时进行无损检测，重点检查螺纹及过渡部位有无环向裂纹；连接反应塔人孔紧固件为高压双头螺栓，其在高温、高压的环境下工作，由于操作压力的波动、温度降低或升高、开停车时的升压与卸压及组装时所加应力的不平衡使个别螺栓受力过大，这些都是使高压螺栓产生疲劳裂纹直至断裂的主要原因，所以螺栓齿根部是产生疲劳裂纹最危险的部位，为确保容器的安全运行，应进行无损检测。
一．重点检测部位双头螺栓规格为M39×3×200，如图1所示，材质为30CrMoA低合金钢，当螺栓与螺母拧紧后，a区为受力最大部位，大部分螺栓疲劳断裂都发生在这一区域，其余多发生在丝扣与丝杆的过渡区域(b区)，对于在用高压双头螺栓来讲，重点检测部位应包括a区、b区及a，b区之间受力较大的丝扣部分。
图1二．检测方法的选择高压双头螺栓在制造过程中一般采用磁粉、渗透及超声波法进行检测，采用标准ＪＢ／Ｔ４７３０－２００５，而在役设备上的双头螺栓很难将表面处理干净，且有很多螺帽都锈住了，根本无法卸掉，所以磁粉和渗透检测很难实施，只能使用超声波检测，按ＪＢ／Ｔ４７３０－２００５标准中７.２条：在用承压设备用原材料、零部件的超声检测，一般采用纵波小K值直探头法及横波斜探头法，探头移动位置如图1、2。
图21．纵波直探头法将探头放在图2中部位1，利用纵波扩散角声束来探测，所以检测灵敏度相对较低，有时还有变型波的干扰，需仔细辨别,见图3。
纵波检测所以如果能使主声束直接射到齿根裂纹处则会得到更好的效果。
因此，应使主声束折射一定的角度，而且由于这个角度不大，可在直探头上加一个楔块完成，这种探头就是小角度纵波探头。
如图4所示，为使主声束反射达到最佳条件，应使∠1=∠2，目前设备上使用的螺栓齿根角度公制为60°，这样声束进入螺栓端面折射角应为15°左右。
一种用于螺栓的超声波检测装置[实用新型专利]
![一种用于螺栓的超声波检测装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6f3c9a06effdc8d376eeaeaad1f34693daef101c.png)
(10)授权公告号(45)授权公告日 (21)申请号 201420741304.9(22)申请日 2014.12.01G01N 29/04(2006.01)(73)专利权人国家电网公司地址100031 北京市西城区西长安街86号专利权人华北电力科学研究院有限责任公司山西大唐国际新能源有限公司华正清圆（天津）科技有限公司(72)发明人季昌国 刘建屏 车志恩 王佳宇崔孟 边晋发 程云强 马延会陈君平 苏德瑞 韩腾 相怡徐海滨(74)专利代理机构北京三友知识产权代理有限公司 11127代理人赵燕力(54)实用新型名称一种用于螺栓的超声波检测装置(57)摘要本实用新型为一种用于螺栓的超声波检测装置，包括螺栓夹持部和探头夹持部；探头夹持部位于螺栓夹持部上方且两者之间能相对转动的连接在一起；螺栓夹持部包括一圆形底盘，圆形底盘中央具有通过孔；圆形底盘的通过孔孔壁沿圆周方向均匀设有三个锁紧螺钉；圆形底盘还设有锁紧螺钉联动机构；探头夹持部包括一中空的壳体，壳体下端开口，其开口端转动连接在圆形底盘的上部；壳体上相对的两侧横向穿设有径向调节螺杆，壳体内部设有探头夹持组件。
本实用新型可靠性和可重复性好，实现检测数据的全记录，减少操作步骤。
(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书2页 说明书5页 附图4页(10)授权公告号CN 204214814 U (45)授权公告日2015.03.18C N 204214814U1.一种用于螺栓的超声波检测装置，其特征在于：所述超声波检测装置包括用于夹持被检测螺栓的螺栓夹持部和用于夹持超声检测探头的探头夹持部；所述探头夹持部位于螺栓夹持部上方且两者之间能相对转动的连接在一起；所述螺栓夹持部包括一圆形底盘，所述圆形底盘中央具有供被检测螺栓穿过的通过孔；圆形底盘的通过孔的孔壁沿圆周方向均匀设有三个锁紧螺钉，所述三个锁紧螺钉均水平设在圆形底盘并能沿圆形底盘的径向移动，进而锁紧螺钉的一端能伸入到通过孔内；圆形底盘还设有能使三个锁紧螺钉同步径向移动的锁紧螺钉联动机构；所述探头夹持部包括一中空的壳体，壳体下端开口，其开口端转动连接在圆形底盘的上部；所述壳体上相对的两侧横向穿设有一个径向调节螺杆，径向调节螺杆与壳体转动连接，壳体内部设有一个与径向调节螺杆螺纹连接并能沿径向调节螺杆轴向移动的探头夹持组件。
周健敏-螺栓超声波检测
b 横波斜探头检测方法； 一般K值选用1.5~1.7，频率为5MHz，晶片尺寸为8*12mm， 对于直径Φ100mm螺栓宜选用频率为2.5MHz探头 对螺栓管个部位进行检测时小角度纵波斜探头检测方法选择 折射角βL2.0°~8.5°探头，横波斜探头检测方法选择K值选用 1.0~2.0探头。
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
五、检测扫查与与缺陷评定
螺栓内孔缺陷的识别可参照表3判伤界限的规定。
验证方法 纵波斜入射和横波两种检测手段可以互相验证。
五、检测扫查与与缺陷评定
b 指示长度的测定 当探伤时发现缺陷信号后，保持探伤灵敏度不变，探头沿 周向向两侧移动来测长。对于纵波斜入射法，缺陷波波幅降至 与丝扣波波幅相同时，探头移动距离为其指示长度。对于横波 法，被遮挡的丝扣反射波升到与正常丝扣反射波相同，此时探 头所移动的距离即为指示长度。 c 评定 凡评定为裂纹的螺栓应判废 1）刚性螺栓纵波斜入射探伤 缺陷信号波幅≥Φ1mm反射当量，且指示长度≥10mm，应判定为 裂纹。 2）柔性螺栓:纵波斜入射探伤 a）柔性无中心孔螺栓。缺陷 信号位于本侧，其反射波幅 ≥Φ1mm-10db反射当量，且指示长度≥10mm，应判定为裂纹。 b）柔性有中心孔螺栓。缺陷信号波幅≥Φ1mm反射当量，且指示 长度≥10mm，应判定为裂纹。
M72
M76
≥1
≥1
≤300
≤320
≤380
≤400
一.检测方式的选择
小角度纵波斜探头检测方法对螺栓边缘及丝扣裂纹检测灵敏 度高，对检测面、现场检测条件有一定限制。 2 横波斜探头检测方法； 主要用于柔性有中心孔螺栓对侧、长度超过上表柔性无中 心孔螺栓对侧以及螺杆光杆部位。两端无法放置探头的螺栓应 采用横波斜探头检测方法。 横波斜探头检测方法对各类缺陷均有较高的检测灵敏度高， 介于螺栓结构型式，该检测方法适用性较差。 3 纵波直探头检测方法（辅助检测手段）； 主要用于在以上两种因螺栓结构及现场检测条件受到限制的 情况下可采用纵波直探头检测方法。 纵波直探头检测方法是一种最常规螺栓检测方法，它检测效 率高，对现场检测条件、检测面要求低，对螺栓结构形式及长 度适应性强，对螺栓内部各类缺陷检出率高，对螺杆边缘及丝 扣裂纹检测灵敏度稍低与上面二项检测方法。
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五、检测扫查与与缺陷评定
2 缺陷判定
a 横波探伤时丝扣部位裂纹的识别 当螺栓某个丝扣部位出现裂纹时，其后邻近的第一个丝扣 反射波被裂纹遮挡。当裂纹较大时，第二、第三个丝扣波也将 被遮挡。如发现缺陷的反射波幅与其后的第一丝扣反射波幅只 差大于或等于6db,且指示长度大于或等于10mm时，即可判定为 裂纹，见图。
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
4.耦合剂的选用 ①对工件表面和探头表面有足够浸润性，并既有流动性， 又有附着力强，且易清洗。 ②声阻抗大，应尽量和被检工件接近。 ③对人体无害，对工件无腐蚀作用。 ④来源广，价格低廉。 ⑤性能稳定。
由表中可知甘油耦合性能最好，
四、仪器与灵敏度调整
• 1 扫描线比例调整 • a 小角度纵波斜探头检测方法和横波斜探头检测方法 用LS-1、LS-2试块或试件进行调整，扫描线比例应使仪器 显示屏显示出最大检测深度； • b.纵波直探头检测方法 以工件厚度声程为基准调节，一般将工件二次底波调在10 格，一次底波调在第5格。 也可按扫描线1：n的比例调节。 2.检测灵敏度调整 a 小角度纵波斜探头检测方法用LS-1、LS-2试块进行调整按 下表进行，也可以将螺栓丝扣反射波最高波调整到60%一般K值选用1.5~1.7，频率为5MHz，晶片尺寸为8*12mm， 对于直径Φ100mm螺栓宜选用频率为2.5MHz探头 对螺栓管个部位进行检测时小角度纵波斜探头检测方法选择 折射角βL2.0°~8.5°探头，横波斜探头检测方法选择K值选用 1.0~2.0探头。
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
五、检测扫查与与缺陷评定
• 1 扫查方式 • a 小角度纵波斜探头检测方法扫查 • 两端为平面的刚性无中心孔螺栓和柔性无中心孔螺栓检测扫查 方式
扫查
五、检测扫查与与缺陷评定
• b 横波斜探头检测方法扫查方式 • 对于大于M48柔性有中心孔螺栓检测，应采用纵波斜探头从两 端对螺栓本侧进行扫查，端面无法放置探头的应采用横波斜探 头扫查。
四、仪器与灵敏度调整
• b 横波斜探头检测方法 一般直接用螺栓检测部位丝扣反射波最高波调整到60%的基 准高作为检测灵敏度 • c.纵波直探头检测方法（参照DL/T694-1999) 可用小角度纵波斜探头检测方法进行检测灵敏度调整。 d 用螺栓裂纹对比试块调整检测灵敏度 根据检测方法要求，在试块检测面移动探头，找到模拟裂 纹缺陷最高波，将模拟裂纹缺陷反射波最高波调整到80%的基 准高作为检测灵敏度。
螺栓超声波检测
周健敏 2013年6月
一.检测方式的选择
• • • • • • 根据DL/T694-1999《高温紧固螺栓超声波检验技术导则》要求规定，螺栓超 声波检测方式有三种： a.小角度纵波斜探头检测方法； b.横波斜探头检测方法； c.纵波直探头检测方法（辅助检测手段）； 一般根据被检工件的材质、规格尺寸、结构形式、制造工艺、运行状况、检测 要求、现场检测条件等方面来选择检测方式： 1 小角度纵波斜探头检测方法: 适用于刚性无中心孔螺栓本侧与对侧、柔性无中心孔螺栓本侧、长度符合下 表要求柔性无中心孔螺栓对侧和柔性有中心孔螺栓本侧；
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
• LS-2
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
• 螺栓裂纹对比试块 • 是按照螺栓形状在螺栓两端第一个螺纹丝扣上人工制作2个深 度不同的模拟裂纹缺陷。
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
3.探头选择 原则为根据检测方式、检测对象和检测目的决定： a 小角度纵波斜探头检测方法； 折射角βL一般为8.5°，频率为5MHz，晶片尺寸见表
c.纵波直探头检测方法 ： 一般选用频率为2.5MHz~.5MHz，晶片尺寸10~20mm， 螺栓规格较小宜较大频率和较小晶片尺寸，探头螺栓规格较大、 较长宜使用较大频率和较小晶片尺寸探头。 4. 探头选择基本原则 a 探头频率选择 超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力，从统计 规律发现当缺陷大小为λ/2时，可稳定地发现缺陷波，对钢工 件用2.5~5MHZ，λ为：纵波2.36~1.18，横波1.29~0.65，则纵 波可稳定检测缺陷最小值为：0.6~1.2mm之间，横波可稳定检 测缺陷最小值为：0.3~0.6之间。 此外应考虑检测目的和检测效果，如从发现最小缺陷能力 方面，可提高频率，但对大工件因声程大频率增加衰减急剧增 加。对粗晶材料如降低频率，且减小晶片尺寸时，则声束指向 性变坏，不利于检测远场缺陷，所以应综合考虑。
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
b 晶片尺寸选择： 原则：①晶片尺寸要满足标准要求，如满足JB/T4730-2005要 求，即晶片面积≤500mm2，任一边长≤25mm。 • ②其次考虑检测目的，有利于发现缺陷，如工件较薄，则 晶片尺寸可小些，此时N小。铸件、厚工件则晶片尺寸可大些， N大、θ0小。发现远距离缺陷能力强。 c 考虑检测面的结构情况 • 如对小型工件，曲率大的工件复杂形状工件为便于耦合要用小 晶片，对平面工件，晶片可大一些。 d 斜探头K值选择： 原则：①保证声束扫到整个检测断面，对不同工件形状要具体分 析选择。 ②尽可能使检测声束与缺陷垂直，在条件许可时，尽量用K 大些的探头。薄工件K大些，厚工件K可小些。 ③根据检测对象选K：
五、检测扫查与与缺陷评定
螺栓内孔缺陷的识别可参照表3判伤界限的规定。
验证方法 纵波斜入射和横波两种检测手段可以互相验证。
五、检测扫查与与缺陷评定
b 指示长度的测定 当探伤时发现缺陷信号后，保持探伤灵敏度不变，探头沿 周向向两侧移动来测长。对于纵波斜入射法，缺陷波波幅降至 与丝扣波波幅相同时，探头移动距离为其指示长度。对于横波 法，被遮挡的丝扣反射波升到与正常丝扣反射波相同，此时探 头所移动的距离即为指示长度。 c 评定 凡评定为裂纹的螺栓应判废 1）刚性螺栓纵波斜入射探伤 缺陷信号波幅≥Φ1mm反射当量，且指示长度≥10mm，应判定为 裂纹。 2）柔性螺栓:纵波斜入射探伤 a）柔性无中心孔螺栓。缺陷 信号位于本侧，其反射波幅 ≥Φ1mm-10db反射当量，且指示长度≥10mm，应判定为裂纹。 b）柔性有中心孔螺栓。缺陷信号波幅≥Φ1mm反射当量，且指示 长度≥10mm，应判定为裂纹。
二、检测面的选择和准备
• • • • 检测面的选择应考虑以下几个方面： 1.探伤前应了解螺栓名称、材质、规格、结构型式、使用状 况、热处理工艺、检验情况等 2 原则上应拆下进行检测； 3 根据螺栓结构形式选择检测面，检测面应是平面或规则面 的工件表面，且与螺栓轴线垂直； 4 检测面的表面粗糙度应≤6.3µm，表面应清除杂物，松动氧 化皮，毛刺等。 5 根据检验目的选择检测面，被检测缺陷的位置、取向； 6 考虑入射声束应尽可能垂直于缺陷反射面； 7 被检工件的材质； 8 根据探头的晶片尺寸、K值等确定检测面宽度；； 9 工件侧面反射波的影响；
螺栓规格 (柔性无中心孔) M32 M36 M42 M48 M52 M56 M64 可探测裂纹深度 (mm) ≥1 ≥1 ≥1 ≥1 ≥1 ≥1 ≥1 裂纹距工件表面距离 （mm） ≤110 ≤130 ≤160 ≤180 ≤200 ≤220 ≤260 螺栓长度 ≤150 ≤180 ≤210 ≤230 ≤250 ≤280 ≤320
• 采用横波斜探头扫查时，先找到检测部位手孔波，调整好灵敏 度，沿螺栓光杆周向移动，前后约作用的扫查一周。。
五、检测扫查与与缺陷评定
• c. 纵波直探头检测方法扫查 • 两端为平面的螺栓应从两端分别对螺栓对侧和本侧进行扫 查，单边检测螺栓长度≥400应进行分段扫查。 • d. 扫查应考虑： • ① 扫查到整个探伤面； • ② 声束扫查到整个工件检测范围内全体积； • ③ 探头移动间距相邻有一定范围覆盖重叠区； • ④ 扫查速度满足JB/T4730标准要求 • ⑤ 有效声束范围。
四、仪器与灵敏度调整
• 试块法调整灵敏度 • 根据工件探伤灵敏度要求。 • 将探头对准标准试块上人工缺陷探测使波高达到某基准波高 （如50%高），再根据工件厚度、要求、调节衰减器达到要求 的灵敏度，这方法要注意下到几点： • 1）试块和工件材质不同，衰减不同的补偿。 • 2）试块和工件表面粗糙度不同的补偿。 • 3）试块反射体声程和工件检测灵敏度要求声程不同引起补偿 （扩散、材质）。 • 4）试块反射体和工件检测灵敏度要求的反射体种类不同引起 补偿。 • 一般情况下补偿2~4dB。
M72
M76
≥1
≥1
≤300
≤320
≤380
≤400
一.检测方式的选择
小角度纵波斜探头检测方法对螺栓边缘及丝扣裂纹检测灵敏 度高，对检测面、现场检测条件有一定限制。 2 横波斜探头检测方法； 主要用于柔性有中心孔螺栓对侧、长度超过上表柔性无中 心孔螺栓对侧以及螺杆光杆部位。两端无法放置探头的螺栓应 采用横波斜探头检测方法。 横波斜探头检测方法对各类缺陷均有较高的检测灵敏度高， 介于螺栓结构型式，该检测方法适用性较差。 3 纵波直探头检测方法（辅助检测手段）； 主要用于在以上两种因螺栓结构及现场检测条件受到限制的 情况下可采用纵波直探头检测方法。 纵波直探头检测方法是一种最常规螺栓检测方法，它检测效 率高，对现场检测条件、检测面要求低，对螺栓结构形式及长 度适应性强，对螺栓内部各类缺陷检出率高，对螺杆边缘及丝 扣裂纹检测灵敏度稍低与上面二项检测方法。
•
• • • • •
三.仪器、试块、探头和耦合剂的选择
• 1.探伤仪选择 • 仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。 • 其次可考虑检测目的，如对定位要求高时，应选择水平线性误 差小的仪器， • 选择数字式探伤仪更好。对定量要求高时，应选择垂直线性误 差小，衰减器精度高的仪器，对大型工件或粗晶材料工件探伤， 可选择功率大，灵敏度余量高，信噪比高，低频性能好的仪器。 对近表面缺陷检测要求高时，可选择盲区小，近区分辨好的仪 器。 • 主要考虑：灵敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便携、稳 定等方面。 • 2、试块选择 • LS-1