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導(dǎo)讀

 

抽水蓄能電廠在電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)度中起著重要的作用，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對保障電網(wǎng)的整體安全意義重大，而抽水蓄能電廠的水輪機(jī)頂蓋螺栓是影響機(jī)組安全的一個重要部件，俄羅斯薩楊水電廠曾因水輪機(jī)頂蓋螺栓斷裂而導(dǎo)致水淹廠房，因此頂蓋螺栓的無損檢測是水電廠大修的必檢項(xiàng)目。

 

不同使用環(huán)境下，螺栓斷裂的原因各不相同，除水電廠外，火電廠和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的緊固螺栓斷裂也不在少數(shù)，其中針對火電廠汽缸緊固螺栓的超聲波檢測已形成標(biāo)準(zhǔn)，水電廠頂蓋螺栓的檢測可以參考該標(biāo)準(zhǔn)，但由于水電廠頂蓋螺栓結(jié)構(gòu)與火電廠有所區(qū)別，因此檢測過程中需要具體分析。

 

一、概況

 

在某抽水蓄能電廠大修期間，對其頂蓋螺栓進(jìn)行了超聲波檢測，該頂蓋螺栓的圖紙如圖1所示，由于頂蓋螺栓未拆卸，因此現(xiàn)場僅通過縱波直探頭在圖1中螺栓的左端面進(jìn)行掃查，在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)在距離端面145mm和190mm處各存在一個較大的回波，如圖2所示。

 

為確定頂蓋螺栓是否存在缺陷，電廠檢修人員將螺栓拆卸下來使用其他檢測手段進(jìn)一步核實(shí)。

 

由于145mm和190mm兩處回波分別位于螺紋部位和光桿部位，因此對這兩個部位分別采用滲透檢測及磁粉檢測進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)表面及近表面缺陷。

 

使用縱波直探頭對圖紙中的右端面進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在距離右端面145mm和190mm附近同樣存在兩個較大回波，同時使用橫波斜探頭在光桿位置對距離端面145mm和190mm的兩個地方進(jìn)行檢測，均未發(fā)現(xiàn)缺陷回波。

 

圖1 頂蓋螺栓圖紙

圖2 回波圖形

 

由此可以判斷距離左右端面145mm和190mm的兩處回波不是缺陷回波。

 

本文將對此頂蓋螺栓的異?；夭ㄟM(jìn)行分析，確定其出現(xiàn)的原因，為以后檢測提供經(jīng)驗(yàn)。

 

二、回波分析

 

2.1 縱波直探頭超聲場計(jì)算

 

檢測所使用的縱波直探頭規(guī)格為5P20Z，根據(jù)以下的零值發(fā)散角公式，可以計(jì)算出該探頭的聲場分布。

 

茼蒿各采樣植株的葉片綠素a含量、葉綠素b含量及總?cè)~綠素含量和SPAD-502型葉綠素計(jì)測得的SPAD值見表1。

 

酒店前場功能區(qū)包括各類餐廳和會議區(qū)等區(qū)域，大開間區(qū)域通常采用集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，而小開間、包間和會議室等小空間通常采用風(fēng)機(jī)盤管。

 

式(1)中，k-波數(shù)，k=2π/λ；Rs-探頭半徑，Rs=Ds∕2=20mm∕2=10mm；θ-發(fā)散角。

 

采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)量資料采用(±s)表示，比較采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用[n(%)]表示，采用X2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

 

由式(1)算得，第1至第8零值發(fā)散角分別：4.13°，7.58°，11.01°，14.50°，18.02°，21.62°，25.31°，29.12°，使用CAD畫圖得到聲場分布，如圖3所示，其中紅色部分越長，表明聲強(qiáng)越高，白色線則是聲強(qiáng)為0的線。

 

圖3 聲場分布

 

2.2 螺栓平面圖建模

 

使用CAD制作頂蓋螺栓的平面模型，如圖4所示。

 

從螺栓平面模型可以測量得到，螺紋平面與螺栓的橫截面夾角為123°。

圖4 螺栓平面模型

 

2.3 兩處回波位置的分析

 

2.3.1 145mm處回波分析

 

超聲儀顯示器中145mm處出現(xiàn)回波表明該回波是聲波傳播了145mm的距離再反射至探頭，因此出現(xiàn)該回波的必要條件是：

 

1）聲波傳播距離為145mm×2(假如發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，則需根據(jù)轉(zhuǎn)換后波形的聲速折算成縱波聲速后的距離)；

 

2）聲波最終能回到探頭上。

 

假設(shè)145mm處的回波由主聲束(即第一零值發(fā)散角之間的聲束)入射至螺紋平面經(jīng)過一次反射得到的，則其必須滿足主聲束中某一角度的聲波與螺紋平面垂直，但從螺紋平面與螺栓的橫截面夾角計(jì)算得到，只有聲束角度為57°的聲波可以滿足該條件，而主聲束的聲波角度為0°～4.13°，顯然，主聲束入射螺紋平面的一次反射波無法滿足條件2，因此該回波并非主聲束入射至螺紋平面經(jīng)過一次反射得到。

 

假設(shè)145mm處的回波由輔聲束(其他零值發(fā)散角之間的聲束)入射至螺紋平面經(jīng)過一次反射得到的，同樣，其必須滿足該聲束內(nèi)某一角度的聲波與螺紋平面垂直的條件(即聲束角度為57°)，此時不管將探頭放置在螺栓端面的任意位置，該聲波傳播至螺栓面的最大距離不可能超過Ds×sin57°×2，而該距離遠(yuǎn)小于145 mm，此時無法滿足條件(1)，因此該回波并非輔聲束入射至螺紋平面經(jīng)過一次反射得到。

 

排除以上兩種情況后，可以判斷145mm處的回波至少經(jīng)歷兩次反射，從螺栓的結(jié)構(gòu)可見，最可能的情況是聲束入射至螺紋平面后沿著螺栓橫截面方向傳播至對側(cè)的螺紋平面后再反射至探頭，根據(jù)此設(shè)想，首先從任意螺紋平面的中間畫線至對側(cè)螺紋平面的中間(如圖5紅色三角形的下面一根線)，然后在兩側(cè)的螺紋平面上根據(jù)反射定律畫出聲波的發(fā)射線及接收線，相交于螺栓的端面，形成發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)，理論上發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)均位于探頭直徑范圍內(nèi)時就可以形成回波，但發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)越接近，回波越高，為得到最高回波的傳播路徑，將紅色三角形以4mm的步進(jìn)(即螺距的大小)上下移動，可以得到，聲波沿著圖5所示的路徑傳播時，回波最大，因此，在145mm附近會出現(xiàn)一個明顯的回波。

 

2.3.2 190mm處回波分析

 

從圖2可見，145mm處回波后，連續(xù)出現(xiàn)4個回波，且四個回波之間的距離相等，均為45mm左右。

 

這是因?yàn)楦鶕?jù)惠更斯-菲涅耳原理，超聲波傳播至物體的任一位置時，該位置的質(zhì)點(diǎn)會成為新的超聲波源，并向四周發(fā)射超聲波，因此當(dāng)超聲波傳播至圖5中②所示的位置時，該位置的螺紋會成為新的超聲波源，向四周發(fā)射超聲波，其中就會有部分超聲波傳播至①位置，再傳播至螺栓端面的接收點(diǎn)，形成回波，而該傳播路徑的聲程相比145mm處回波的聲程大88.54mm(約等于螺栓螺紋部分的直徑)，反映在示波器上，距離就比145mm處的回波大88.54mm∕2=44.27mm，因此就會在190mm處出現(xiàn)回波，以此類推，190mm處回波后面也會等間距地出現(xiàn)多個回波，但由于每次反射，其聲波的能量會發(fā)生衰減，因此后面的回波高度會漸漸地下降。

 

圖5 145mm處回波的傳播路徑

 

結(jié)語

 

綜上所述，采用超聲波檢測頂蓋螺栓的建議如下：

 

1）通常情況下，頂蓋螺栓是在安裝狀態(tài)下檢測的，因此只能從螺栓的一端進(jìn)行檢測，當(dāng)使用縱波直探頭檢測該形狀的頂蓋螺栓時，異?；夭▋H會形成于靠近探頭一側(cè)的螺紋，而在遠(yuǎn)離探頭一側(cè)的螺紋則不會形成異?；夭ǎ虼丝v波直探頭更適合于檢測遠(yuǎn)離探頭的螺紋處有無裂紋。

 

2）對于靠近探頭一側(cè)的螺紋，使用小角度縱波斜探頭檢測更有效。

 

3）使用新型超聲檢測方法，如超聲導(dǎo)波和相控陣超聲檢測，能夠較為直觀地顯示缺陷的位置，靈敏度也較高，但需要根據(jù)不同形狀不同尺寸的頂蓋螺栓，定制不同探頭和掃查裝置，成本較高。

 

4）當(dāng)發(fā)現(xiàn)異?；夭ú荒艽_定是否為缺陷時，建議使用多種探頭進(jìn)行核實(shí)。