超声波探伤在风电紧固件产品中的应用

2021-05-21胡绍鑫余成华赵冠兴

中国金属通报 2021年5期

胡绍鑫，余成华，赵冠兴

（江苏中成紧固技术发展股份有限公司，江苏盐城224400）

风电用高强度紧固件长期服役于野外，环境恶劣，运维更换成本较高，在常年连续工作情况下，风电紧固件要求必须保证20年以上的使用寿命，对风电紧固件的产品质量提出了较高的要求[1]。风电紧固件一般包括基础锚栓、塔筒连接螺栓、叶片螺栓和机舱螺栓，设计院根据地质勘测、风机载荷、使用寿命等进行设计计算，确定紧固件使用规格、数量和力学性能等级，一般采用8.8或10.9级高强度螺栓连接。超声波探伤在风电紧固产品中的应用，可有效的发现紧固件产品的内部和近表面缺陷，降低因缺陷导致的断裂。

1 超声波探伤原理

超声波探伤仪产生高频周期性脉冲信号，通过探头入射到产品内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。零件内无缺陷时，超声波遇到零件表面和底面发生反射，在显示器上分别显示出始波T和底波B；零件内有缺陷时，除了显示始波、底波外，还在始波和底波之间出现缺陷波F，通过缺陷波F到底波距离和波幅高度，即可判断缺陷在零件中位置和大小[2]。

图1 超声探伤示意图t

工业生产一般采用自动探伤即多通道探伤设备，每一个通道相当于一台单通道探伤仪，可有效提高探伤速度，一般由直探头通道和斜探头通道组合应用，如图1所示，棒材直线前进，在纵向上覆盖（端部盲区除外），探头绕着棒材360度旋转，在横截面上覆盖，从而保证了整支棒材探伤全覆盖, 直探头探内部缺陷，斜探头探表面及近表面缺陷。

2 紧固件产品中的缺陷分类

根据目前紧固件产品批量探伤的情况，把超声波探伤发现的缺陷可分为两大类，即表面缺陷和内部缺陷。表面缺陷包括表面裂纹、折叠、划伤、凹坑和结疤等[3]，内部缺陷包括裂纹、缩孔和大尺寸夹杂物等。

2.1 表面裂纹

表面裂纹一般在连铸或轧制过程中产生，产生的原因较多，如铸坯皮下夹杂、皮下气泡、铸坯冷却矫直不当、轧制温度太低等，都会产生裂纹，轧材表面裂纹经热处理后裂纹两边出现脱碳，如图2（a）所示。一种是热处理过程中发生的淬火开裂，裂纹从表面扩展有沿晶开裂特征，且无脱碳层，如图2（b）所示。

2.2 划伤

沿轧制方向上纵向的细长凹下缺陷，其形状和深浅、宽窄随产生的原因不同而异，如图2（c）。一般钢材在轧制辊道传输过程中，容易与导板或导板上的异物发生摩擦损伤，从而造成钢材表面划伤。

2.3 折叠

在轧制过程中产生的飞边、毛刺、皱折和尖锐棱角等，在继续轧制时压入金属内部，则形成折叠[4]。沿轧制方向与钢材表面有一定倾斜角、近似裂纹的缺陷，一般呈直线状，也有锯齿状，出现在钢材的局部或全长，深浅不一，内有氧化铁皮，有时也呈舌状，有规律连续分布在钢材表面上，如图2（d）所示。

2.4 内部裂纹

在钢材的内部出现裂纹的现象如图2（e），其产生的原因较多，例如：钢液在凝固过程中产生的内应力可能引起裂纹；缓冷过程中坯料的内外冷却速度相差较大，可能产生裂纹；钢中残留的大尺寸夹杂物，在轧制过程中变形不均匀可能产生裂纹[5]。坯料中有些较小的内裂纹未接触空气，内壁未氧化，热加工时采用大压缩比可能被焊合。

2.5 缩孔

Engstrom[6]和Raihel[7]等认为缩孔的形成是由于铸坯在凝固过程中，柱状晶过于发达而产生“搭桥”现象，“桥”下面的液相转变为固相时发生的体积收缩和铸坯向外传热使铸坯中心已凝固部位继续冷却产生的体积收缩，不能被钢液补充所引起。钢种的凝固收缩越大，缩孔产生的机率越大，铸坯中的缩孔如在热加工过程中未焊合，则保留在钢材中。

图2 钢材中缺陷

2.6 大尺寸夹杂物

非金属夹杂物是钢中必然存在的产物，钢件中大量存在的小尺寸非金属夹杂物对钢的性能基本上是没有影响的[8]，然而大尺寸夹杂物会严重恶化钢件的机械加工和服役性能，严重的导致钢件突然断裂，发生灾难性后果。大尺寸夹杂主要来源，冶炼过程中的脱氧产物及浇注过程中产生二次氧化物[9]，在钢液中未能有效上浮，残留于钢材中，如图3所示。

图3 钢材中大尺寸夹杂物

3 超声波探伤在紧固件产品中应用与分析

随着风电行业的不断发展，各大主机厂商制定了风电紧固件产品技术规范，紧固件产品一般选用GB/T4162《锻轧钢棒超声检测方法》中A级或EN 10308《非破坏性试验-钢棒超声波试验》中class4级探伤合格的钢材，经过热处理后机加工成型，在表面处理前进行磁粉探伤。经过批量的生产发现，按GB/T4162标准A级探伤合格的钢材，经过调质处理后复探，存在不满足A级探伤要求的钢材。符合GB/T4162标准A级的探伤钢材，内部和表面可能存在不超标准要求的缺陷（近表面缺陷、内部缺陷、表面缺陷等），在淬火处理时，加热奥氏体化的钢材急速冷却至室温，组织发生了快速转变，钢材内部产生一定的内应力，内应力遇到缺陷会聚集并释放，可能造成缺陷的扩展，缺陷的尺寸可能会超出探伤标准要求。在生产过程中，对有缺陷但未超标准的一支钢材进行了跟踪试验，缺陷波位置如图4（a），经过淬火加回火处理后复探，在同一位置的缺陷已扩展，超出标准要求如图4（b），因此钢材经过热处理后探伤才能更好的管控产品质量。