汽輪機T 型葉根的超聲縱波檢測

張文雍,王 崗,徐 鴻

(華北電力大學 電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,北京 102206)

汽輪機是火力發(fā)電廠的主要部件,而汽輪機的葉片則是汽輪機的命脈,其結構完整性是保證汽輪機安全運行的重要因素[1]。多年來,已經發(fā)現(xiàn)了許多葉片損壞的事例,這不僅影響生產,還造成其他葉片的碰傷。以往只是側重于檢測葉片的裸露工作部位,而忽略了葉片根部(插入在輪緣部位)的檢測。事實和理論說明,葉片的根部(簡稱葉根)是受力較大,腐蝕嚴重,易產生應力腐蝕發(fā)生斷裂的部位。

葉根的結構有許多型式[1],如:叉型、T 型和樅樹型等。型式不同,所采用的探傷方法也不同。T型葉根是汽輪機最常見的一種葉根型式,它埋藏在葉輪槽內,結構復雜、尺寸小。若葉根在拆卸情況下進行檢測,會延長檢修周期,且拆卸工藝復雜、成本高。故在不拆卸的情況下采取有效的檢測方法對T型葉根進行探傷具有很大意義。為了有效準確地檢測出危害缺陷,筆者利用超聲波探傷的原理[2],通過有限元應力分析,利用設計的縱波微型斜探頭,對T型葉根超聲波檢測方法進行了探討研究。

1 應力分析

為了確定葉根的最危險截面,便于重點檢測,利用大型商用有限元分析軟件ANSYS,對T 型葉根的應力分布狀況進行模擬。

1.1 模型的建立和網格劃分

選取T 型葉根,根據(jù)實際尺寸建立二維幾何模型,通過定義單元類型、材料屬性和網格劃分等得到有限元實體模型[3]。為了更好地分析敏感部位的應力分布情況,對預期的應力集中部分進行網格細化,如圖1 所示。

圖1 T 型葉根模型的網格

1.2 有限元計算結果與分析

在建立的模型的基礎上施加載荷和約束條件,運行計算得到的T 型葉根應力分布如圖2 所示。

圖2 應力分布圖

從現(xiàn)實情況考慮,葉根處產生裂紋的原因主要表現(xiàn)在:受切向或徑向應力;葉根的加工精度不高;濕度過大,產生應力腐蝕;鉚接時過緊或過松,從而產生交變應力[4]。

由于以上原因,應力主要集中在葉根頸部和葉根底部交叉處, 即如圖2 所示的F1,F2,F3和F4處。因此,在對T 型葉根進行超聲波探傷時,F1,F2,F3和F4處應是重點考慮的對象。

2 縱波檢測方案的提出

2.1 縱波檢測的可行性

T 型葉根深藏在葉輪內,只能從外露部分尋找探傷面,且可探傷面狹小,探頭能掃查的范圍受到限制,而且葉片間隙狹窄,探頭放置困難。另外,葉片葉根尺寸小、形狀復雜,超聲波探傷時固有反射波和變形波多,嚴重影響了對缺陷回波的判斷。

以往對于T 型葉根的檢測,采用微型縱波探頭[5-6]探傷,如圖3 所示,這對平直探測面的探傷是可行的。但大多數(shù)葉根探傷面為凹型弧面,同樣存在探測面與探頭的耦合問題。因此,根據(jù)以上葉根結構形式的特點,通過研究發(fā)現(xiàn),采用縱波微型斜探頭在葉身的背弧面進行探傷是可行有效的。

圖3 微型縱波探頭探傷

2.2 探頭、儀器和試塊的選擇

2.2.1 縱波微型斜探頭的選擇

在實際應用中,導波探頭的設計取決于以下幾個方面[7]:①管中導波的頻散曲線。 ②待檢驗管件的規(guī)格(包括外徑、壁厚等)與聲學特性。 ③檢測靈敏度。 ④管件中缺陷的性質(原始制造缺陷還是服役期間可能產生的缺陷)。 ⑤檢測環(huán)境(包括溫度、表面狀態(tài)等)。

根據(jù)葉根結構形式的特點以及以上要求,選擇了縱波微型斜探頭方法。選擇探頭角度應遵守的基本原則[8]有:①主聲束入射到裂紋與葉根面形成的端角處。 ②裂紋產生的回波信號盡可能避開雜波信號或固有回波。 ③波形單一,容易判斷。 ④確定探傷靈敏度盡可能用固有回波信號。

葉根探傷要求探頭體積小、前沿短、靈敏度高。按照要求,設計出如圖4 所示的斜探頭(采用聚楓樹脂)結構,方便安裝。圖中L0為最小前沿長度,a為晶片寬度,α為入射角,從圖4 可以看出:

圖4 斜探頭結構圖

由折射角與入射角關系式:

式中c1 為透聲楔中縱波聲速;β 為折射角。

由式(1)和(2)可得最小前沿長度L0為:

由上述分析,為減小L0,晶片的尺寸應盡可能小。此外,對于一定的晶片尺寸和折射角β,減小透聲楔中縱波聲速,也可以減小入射角α,以達到減小前沿尺寸L0的目的。

由于汽輪機轉輪上葉片間隙大部分都＜7 mm,因此所用探頭的高度也應該＜7 mm。通過多方面的綜合考慮和分析, 選擇了微型短前沿縱波探頭。其頻率為5 M Hz、晶片尺寸6 mm ×6 mm(或5 mm×5 mm)、高度6 mm、折射角35°～70°之間,探頭楔塊采用聚楓樹脂,探傷面改在葉片的背弧面,利用一次或二次波來探測T 型葉根的裂紋。

2.2.2 檢驗儀器和試塊的選擇

(1)超聲波探傷儀應符合JB/T 10061 標準的要求:①超聲波探傷儀工作頻率為1～10 M HZ 。②衰減器的總衰減量≥60 dB,在探傷儀規(guī)定的工作頻率范圍內衰減器每12 dB 的工作誤差≤±1 dB。③水平線性誤差≤2%。 ④垂直線性誤差≤8%。

(2)葉片檢測所用的試塊分為標準試塊和對比試塊2 種。標準試塊采用JB/T 10063 標準的1 號試塊,用于對探頭入射點、折射角等有關性能測試和儀器的基線調節(jié)。對比試塊可采用材質相近的同型號葉片,若無法做到則應根據(jù)該級葉根結構圖,選擇合適的探傷技術條件。

(3)耦合劑的選擇非常重要,透聲性較好的甘油(丙三醇)或機油是較好的選擇。其次,被探葉片的葉身或葉根的探測面應進行清理,并按順序編號,以便整理總結。

3 試驗分析

3.1 探頭安裝

由上面的應力分析,如圖5 所示,探頭裝在在葉片的背弧面,F1,F2,處為裂紋,葉根端面為B,B′。

圖5 探頭安裝圖

3.2 靈敏度的確定

根據(jù)文獻[8] 的結論及DL/T 417—2000 標準[9],以葉根端面回波為參考信號波,再增益20 dB即可。

3.3 裂紋的判定

葉根探傷的特點不僅是定點,還要定位。由上述的應力分析可知,應重點檢測圖中F1位置。F1位置采用一次波探傷,F2 位置采用二次波探傷。探測F1位置時,左右移動發(fā)現(xiàn)圖6(a)所示波形,當B端面波和裂紋波交替變化,且波高超過探傷靈敏度時,即可判定為裂紋信號;探測F2位置時,出現(xiàn)圖6(b)所示動態(tài)波形,裂紋波應該位于葉根端面波前,波高超過探傷靈敏度時,即可判為裂紋信號。

圖6 探傷動態(tài)波形

4 結論

(1)采用有限元方法,對葉根的受力情況進行了分析,確定了葉根的應力集中位置。根據(jù)有限元分析所得到的應力分布結果,對葉根進行超聲波探傷有很大的幫助作用。

(2)葉根超聲波檢驗所用的探頭耦合的好壞直接關系著葉根檢測方法的可靠性和準確性,這需要進行細致的設計和長期的試驗才能完成。上述所用的縱波微型斜探頭,具較強的可靠性與準確性。

(3)T 型葉根縱波檢測,可以克服傳統(tǒng)的檢測范圍小、容易漏檢和誤判的缺點,且缺陷波直觀、明顯,大大提高了葉根檢測的準確性和可靠性,并有操作簡單、檢測效率高等優(yōu)點,實踐證明是一種對T型葉根裂紋檢測的理想工藝。

[1] 韓中合, 田松峰,馬曉芳, 等.火電廠汽輪機設備及運行[M] .北京:中國電力出版社,2002:51-63.

[2] 李克明.超聲波探傷[M] .北京:電力工業(yè)出版社,1980:270-282.

[3] 馬慶增, 馮活河, 黃建沖.有限元應力分析在葉根超聲波探傷上的輔助應用[J] .廣東電力, 2000,15(1):300-306.

[4] 劉志江, 袁平, 蔡禮東.一臺300MW 汽輪機次末級葉片斷裂損傷原因分析[J] .中國電力, 2000, 33(6):7-10.

[5] 宋紹河.汽輪機葉根新型超聲波探頭的研制[J] .甘肅電力,1994(2):43-45.

[6] 路正基, 王興明.汽輪機葉片T 形葉根裂紋的檢測[J] .無損探傷,1989(4):14-16.

[7] 江學榮, 杜好陽.無縫鋼管超聲導波檢測技術[J] .廣東電力, 2002,15(5):33-35.

[8] 林德源, 陳開路,陳秉忠.汽輪機葉片T 形葉根的超聲橫波探傷[J] .無損探傷,2005,27(10):556-558.

[9] DL/T 714—2000 汽輪機葉片超聲波檢驗技術導則[S] .