导读

抽水蓄能电厂在电网调峰和调度中起着重要的作用，其安全稳定运行对保障电网的整体安全意义重大，而抽水蓄能电厂的水轮机顶盖螺栓是影响机组安全的一个重要部件，俄罗斯萨杨水电厂曾因水轮机顶盖螺栓断裂而导致水淹厂房，因此顶盖螺栓的无损检测是水电厂大修的必检项目。

不同使用环境下，螺栓断裂的原因各不相同，除水电厂外，火电厂和风力发电机的紧固螺栓断裂也不在少数，其中针对火电厂汽缸紧固螺栓的超声波检测已形成标准，水电厂顶盖螺栓的检测可以参考该标准，但由于水电厂顶盖螺栓结构与火电厂有所区别，因此检测过程中需要具体分析。

一、概况

在某抽水蓄能电厂大修期间，对其顶盖螺栓进行了超声波检测，该顶盖螺栓的图纸如图1所示，由于顶盖螺栓未拆卸，因此现场仅通过纵波直探头在图1中螺栓的左端面进行扫查，在检测过程中，发现在距离端面145mm和190mm处各存在一个较大的回波，如图2所示。

为确定顶盖螺栓是否存在缺陷，电厂检修人员将螺栓拆卸下来使用其他检测手段进一步核实。

由于145mm和190mm两处回波分别位于螺纹部位和光杆部位，因此对这两个部位分别采用渗透检测及磁粉检测进行复核，结果均未发现表面及近表面缺陷。

使用纵波直探头对图纸中的右端面进行检测，发现在距离右端面145mm和190mm附近同样存在两个较大回波，同时使用横波斜探头在光杆位置对距离端面145mm和190mm的两个地方进行检测，均未发现缺陷回波。

图1 顶盖螺栓图纸

图2 回波图形

由此可以判断距离左右端面145mm和190mm的两处回波不是缺陷回波。

本文将对此顶盖螺栓的异常回波进行分析，确定其出现的原因，为以后检测提供经验。

二、回波分析

2.1 纵波直探头超声场计算

检测所使用的纵波直探头规格为5P20Z，根据以下的零值发散角公式，可以计算出该探头的声场分布。

式(1)中，k-波数，k=2π/λ；Rs-探头半径，Rs=Ds∕2=20mm∕2=10mm；θ-发散角。

采用SPSS20.0统计学软件进行数据处理，计量资料采用(±s)表示，比较采用t检验，计数资料用[n(%)]表示，采用X2检

验，P＜0.05为差异有统计学意义。

由式(1)算得，第1至第8零值发散角分别：4.13°，7.58°，11.01°，14.50°，18.02°，21.62°，25.31°，29.12°，使用

CAD画图得到声场分布，如图3所示，其中红色部分越长，表明声强越高，白色线则是声强为0的线。

图3 声场分布

2.2 螺栓平面图建模

使用CAD制作顶盖螺栓的平面模型，如图4所示。

从螺栓平面模型可以测量得到，螺纹平面与螺栓的横截面夹角为123°。

图4 螺栓平面模型

2.3 两处回波位置的分析

2.3.1 145mm处回波分析

超声仪显示器中145mm处出现回波表明该回波是声波传播了145mm的距离再反射至探头，因此出现该回波的必要条件是：

1）声波传播距离为145mm×2(假如发生波形转换，则需根据转换后波形的声速折算成纵波声速后的距离)；

2）声波最终能回到探头上。

假设145mm处的回波由主声束(即第一零值发散角之间的声束)入射至螺纹平面经过一次反射得到的，则其必须满足主声束中某一角度的声波与螺纹平面垂直，但从螺纹平面与螺栓的横截面夹角计算得到，只有声束角度为57°的声波可以满足该条件，而主声束的声波角度为0°～4.13°，显然，主声束入射螺纹平面的一次反射波无法满足条件2，因此该回波并非主声束入射至螺纹平面经过一次反射得到。

假设145mm处的回波由辅声束(其他零值发散角之间的声束)入射至螺纹平面经过一次反射得到的，同样，其必须满足该声束内某一角度的声波与螺纹平面垂直的条件(即声束角度为57°)，此时不管将探头放置在螺栓端面的任意位置，该声波传播至螺栓面的最大距离不可能超过Ds×sin57°×2，而该距离远小于145mm，此时无法满足条件(1)，因此该回波并非辅声束入射至螺纹平面经过一次反射得到。

排除以上两种情况后，可以判断145mm处的回波至少经历两次反射，从螺栓的结构可见，最可能的情况是声束入射至螺纹平面后沿着螺栓横截面方向传播至对侧的螺纹平面后再反射至探头，根据此设想，首先从任意螺纹平面的中间画线至对侧螺纹平面的中间(如图5红色三角形的下面一根线)，然后在两侧的螺纹平面上根据反射定律画出声波的发射线及接收线，相交于螺栓的端面，形成发射点和接收点，理论上发射点和接收点均位于探头直径范围内时就可以形成回波，但发射点和接收点越接近，回波越高，为得到最高回波的传播路径，将红色三角形以4mm的步进(即螺距的大小)上下移动，可以得到，声波沿着图5所示的路径传播时，回波最大，因此，在145mm附近会出现一个明显的回波。

2.3.2 190mm处回波分析

从图2可见，145mm处回波后，连续出现4个回波，且四个回波之间的距离相等，均为45mm左右。

这是因为根据惠更斯-菲涅耳原理，超声波传播至物体的任一位置时，该位置的质点会成为新的超声波源，并向四周发射超声波，因此当超声波传播至图5中②所示的位置时，该位置的螺纹会成为新的超声波源，向四周发射超声波，其中就会有部分超声波传播至①位置，再传播至螺栓端面的接收点，形成回波，而该传播路径的声程相比145mm处回波的声程大88.54mm(约等于螺栓螺纹部分的直径)，反映在示波器上，距离就比145mm处的回波大88.54mm∕2=44.27mm，因此就会在190mm处出现回波，以此类推，190mm处回波后面也会等间距地出现多个回波，但由于每次反射，其声波的能量会发生衰减，因此后面的回波高度会渐渐地下降。

图5 145mm处回波的传播路径结语

综上所述，采用超声波检测顶盖螺栓的建议如下：

1）通常情况下，顶盖螺栓是在安装状态下检测的，因此只能从螺栓的一端进行检测，当使用纵波直探头检测该形状的顶盖螺栓时，异常回波仅会形成于靠近探头一侧的螺纹，而在远离探头一侧的螺纹则不会形成异常回波，因此纵波直探头更适合于检测远离探头的螺纹处有无裂纹。

2）对于靠近探头一侧的螺纹，使用小角度纵波斜探头检测更有效。

3）使用新型超声检测方法，如超声导波和相控阵超声检测，能够较为直观地显示缺陷的位置，灵敏度也较高，但需要根据不同形状不同尺寸的顶盖螺栓，定制不同探头和扫查装置，成本较高。

4）当发现异常回波不能确定是否为缺陷时，建议使用多种探头进行核实。