MARKII型低壓轉(zhuǎn)子末級葉片原位葉根的超聲相控陣檢查

（大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳 518100）

大亞灣和嶺澳核電站汽輪機轉(zhuǎn)子的第5級葉片是采用GEC－A（英國通用電氣公司）設計制造的MARKII型葉片樅樹型葉根。由于GEC－A未改進前的末級葉片在其它電廠發(fā)現(xiàn)過裂紋，且考慮到LP（低壓缸）轉(zhuǎn)子在第5級靜頻性能不太理想，為防止出現(xiàn)高周疲勞裂紋而造成重大事故，自大亞灣核電站1號機組第7次大修（D107）開始，就預防性安排拆末級葉片實施檢查，并在大亞灣核電站2號機組第9次大修（D209）LP1（一號低壓缸）拆葉片進行磁粉檢查時發(fā)現(xiàn)了F22（前級22號）葉片的第1齒根存在裂紋。每次拆裝葉片檢查需要檢修工期8～9 d，成為核電廠常規(guī)換料大修中的關鍵路徑。通過較長時間的調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)相控陣超聲波原位檢查技術可以作為拆葉片檢修策略中的是否延長拆卸周期的中間判別技術，可在不揭缸只開人孔的情況下，有效地發(fā)現(xiàn)葉根最大應力的第1齒槽的裂紋缺陷，以此評價后續(xù)拆葉片的時間或是否需要立即處理。這對于保證核電廠汽輪機組高可靠性的同時還有進一步提高核電廠的經(jīng)濟性的意義。對于汽輪機低壓轉(zhuǎn)子檢查技術的發(fā)展基本上是遵循由單一的開缸檢查策略向原位檢查與開缸檢查相結(jié)合的策略過渡。大亞灣核電站目前已經(jīng)處于原位檢查與開缸檢查相結(jié)合檢查策略的初期。

葉片在服役期間的役致裂紋從受力分析以及目前出現(xiàn)的失效案例來看，絕大多數(shù)是從第1齒槽的受力面的表面向內(nèi)開裂和擴展。根據(jù)此特點，大亞灣核電站選擇的預防性檢查方法為磁粉檢查和手動超聲波檢查。

1 常規(guī)檢查方法介紹

1.1 磁粉檢查

磁粉檢查是拆末級葉片后，最為直觀也是最為有效的檢查手段，但為此檢查需要的拆裝葉片工期大約8～9 d，同時還會帶來拆裝過程中的機械損傷風險。

截至目前為止，大亞灣和嶺澳核電站拆卸末級葉片次數(shù)近20次，僅在D209大修1號低壓缸拆葉片進行磁粉檢查時發(fā)現(xiàn)了F22葉片的第1齒根存在裂紋。

1.2 手動超聲波檢查

在D107大修前（2001年），雖然來自外部的反饋表明需要拆末級葉片實施檢查，但由于從電站投運以來一直未實施過拆葉片，人員在技能及技術要求上尚不具備條件，為此，電站根據(jù)其末級葉片的幾何結(jié)構(gòu)形狀，研制出只拆掉汽輪機上半缸情況下的現(xiàn)場檢查。該技術主要是以第1齒根的幾何反射信號為參照物，如果出現(xiàn)裂紋信號，使用60°橫波探頭和直探頭在葉片的外弧、內(nèi)弧以及進出汽口的平臺區(qū)域?qū)δ┘壢~片第1齒根進行掃查。

手動超聲波檢查采用傳統(tǒng)檢查工藝，信號只有A掃圖像（超聲波波束傳播時間＋信號波幅顯示圖），無法進行宏觀比較。另外由于末級葉片的結(jié)構(gòu)復雜，判斷和識別是否為結(jié)構(gòu)信號和缺陷信號的難度非常大。

手動超聲波檢查的靈敏度較差，而磁粉檢查雖然最可靠，但要求的資源較多，尤其是檢修工期較長。為此，如何找到對現(xiàn)場資源要求少，且靈敏度高的檢查技術，對于大亞灣核電站的運營公司所轄機組的同類型共計12臺低壓轉(zhuǎn)子的檢查而言，其產(chǎn)生的安全及經(jīng)濟利益將是非?？捎^的。

表1 磁粉檢查和手動超聲波檢查工藝對比

2 相控陣超聲波檢查技術的應用

如果能夠?qū)崿F(xiàn)不開缸轉(zhuǎn)子原位檢查末級葉片，為實施檢查的開缸、吊缸和軸對中以及焊接等輔助工作可以取消，將大大減少檢查的工期，減少轉(zhuǎn)子拆裝次數(shù)，降低在葉片拆裝過程中對葉片的損壞風險。低壓轉(zhuǎn)子的原位檢查對低壓轉(zhuǎn)子在役維護和壽命管理能提供有說服力的數(shù)據(jù)。

由于原位檢查的現(xiàn)場條件和技術條件，相控陣超聲波檢查技術是實現(xiàn)原位檢查的方法之一。

2.1 相控陣超聲波檢查

相控陣超聲波技術用于無損檢測，最先是為動力工業(yè)解決下列檢測問題：① 要用單探頭在固定位置檢出不同位置和任意方向的裂紋。② 要對檢測異種金屬焊縫和離心鑄造不銹鋼焊縫提高信噪比和定量能力。③ 要提高聲束掃查可靠性。④ 要對難以接近的受壓給水反應器或沸水反應堆部件進行檢測。⑤要縮短在用設備維修檢測時間，提高生產(chǎn)效率。⑥要檢測和定量形狀復雜的汽輪機部件中的應力腐蝕小裂紋。⑦ 要減少在用檢測人員射線吸收劑量。⑧ 要對一些臨界缺陷（不論缺陷方向）提高檢測、定位、定量和定向精度。⑨ 要對“合乎使用”檢測提供易于判讀的定量分析報告。

超聲相控陣技術的主要特點是多晶片探頭中各晶片的激勵（振幅和延時）均由計算機控制。壓電復合晶片受激勵后能產(chǎn)生超聲聚焦波束，聲束參數(shù)（如角度、焦距和焦點尺寸等）均可通過軟件調(diào)整。掃描聲束是聚焦的，能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋。這些裂紋可能隨機分布在遠離聲束軸線的位置上。用普通單晶探頭，因移動范圍和聲束角度有限，對方向不利的裂紋或遠離聲束軸線位置的裂紋很容易漏檢［1]。

通過軟件可以單獨控制相控陣探頭中每個晶片的激發(fā)時間，從而控制產(chǎn)生波束的角度、聚焦位置和焦點尺寸，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而可進行掃描成像。原理參見圖1～3。

相控陣超聲波檢查技術的優(yōu)點：① 快速。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查要快得多，顯著地減少了工廠的停工期，也節(jié)省了費用。② 靈活。單個相控陣探頭根據(jù)設置文件采用不同的掃查方式就可以檢測不同的部件。③ 可進行復雜檢測。相控陣可以檢測幾何形面復雜的試塊，例如采用自動檢測可以輕而易舉地檢測焊縫和槽。相控陣技術也可以采用各種掃查方式，例如雙軸式、多種角度式、多種模式、分區(qū)掃查。④ 陣列尺寸小。小晶片的陣列在具體檢測中易于應用，例如用在檢測空間受限的管道、葉輪等工件中。

2.2 相控陣超聲波檢查技術的工程實現(xiàn)

2.2.1 檢查范圍的確定

目前,該課程采用傳統(tǒng)教學的教學方式,即以教師講授為主。而工程認證要求是以學生為中心,產(chǎn)出導向式教育,突出體現(xiàn)學生能夠“學到什么”。因而,需要根據(jù)課程目標,選擇合適的教學方式,使學生能夠自主學習,積極參與教學過程,獲得科學知識,主要討論如下。

根據(jù)國內(nèi)外電廠的反饋可以知道，汽輪機葉片在役期間的裂紋多發(fā)生在末級葉片的第1齒槽的位置。由于MARKII型葉片的設計特殊，存在扇形區(qū)，并且扇形區(qū)域同樣出現(xiàn)過裂紋，因此MARKII型末級葉片的第1齒槽和扇形區(qū)是末級葉片檢查的主要區(qū)域，見圖4。

圖4 末級葉片檢查的主要區(qū)域

2.2.2 末級葉片的3D仿真

MARKII型末級葉片的葉根成型復雜，如果進行超聲波檢查仿真，必須要完成葉片的3D全真模擬才能保證設計出準確的掃查軌跡和掃查探頭。為此，將實際的末級葉片進行了全真三維掃描，并且繪制成了末級葉片的3D圖（圖5）。

圖5 葉片3D模擬點圖

2.2.3 掃查探頭的設計

采用一維的相控陣探頭，因此第1齒槽和扇形區(qū)域必須落在探頭扇掃的有效角度內(nèi)。結(jié)合專業(yè)超聲波探頭設計軟件和末級葉片的3D數(shù)據(jù)，在多個葉片的縱刨圖進行相控陣超聲波模擬。確定合適的探頭角度和合理的檢查序列，參見圖6。

圖6 相控陣探頭模擬圖

最后，確定本項目的探頭數(shù)量為4個，檢查序列為8個，對第一齒槽和扇形區(qū)域可實現(xiàn)全面自動檢查。

2.2.4 檢查設備

為了保證自動檢查的實施，除相控陣超聲波設備之外，還要有實施自動掃查的掃查器、探頭夾持小車、手持控制器以及帶動檢查設備的驅(qū)動設備和數(shù)據(jù)傳輸裝置，參見圖7。

圖7 檢查設備連接圖

2.2.5 參考試塊和人工缺陷

由于末級葉片相控陣檢查的對象是末級葉片的齒根，幾何形狀較為復雜。在進行相控陣掃查后得到的回波信號較為復雜，需要專用的帶有人工缺陷的參考試塊進行檢查設備的標定和校驗以及作為對回波信號判傷的依據(jù)。參考試塊的加工要滿足靈敏度校驗、檢查設備有效性驗證、人工缺陷盡可能地體現(xiàn)真實缺陷、人工缺陷能實現(xiàn)真實檢查的信號的位置、尺寸等特征的參考和對比，參見圖8（圖中數(shù)字標識為人工缺陷編號和位置）。

圖8 參考試塊人工缺陷示意圖

2.2.6 工藝驗證

相控陣檢查系統(tǒng)的設計以可以實施有效檢查作為最終檢查工藝驗證。在掃查系統(tǒng)建立后，分別在完好的葉片和參考葉片上進行全掃查。掃查結(jié)果如圖9。

可見，無缺陷葉片掃查出的信號圖中在第一齒槽區(qū)域沒有任何信號顯示，而有人工缺陷的葉片掃查出的信號圖有著明顯的信號顯示。因此，相控陣超聲波原位檢查技術的檢查工藝是有效和可行的。

2.3 相控陣檢查技術的現(xiàn)場實施

大亞灣核電站1號機組的第14次大修（D114）（2010年）期間，成功實施了1號低壓缸相控陣超聲波原位檢查。由于大修關鍵路徑的安排，本次大修沒有完整實施1號低壓缸的全部葉片的檢查。共進行了208次葉片的掃查，包括前后級全部8個序列的檢查和驗證，實施連續(xù)作業(yè)，人員和設備均可實現(xiàn)批量檢查的要求。

圖9 相控陣掃查結(jié)果

在檢查過的葉片中沒有發(fā)現(xiàn)有缺陷的葉片。由于第一次實施檢查，掃查器的操作和探頭的標定兩個環(huán)節(jié)仍有提高的空間。預計3 d可完成一個低壓缸一級78個葉片的掃查。

進行掃查時發(fā)現(xiàn)了個別疑似回波信號，但經(jīng)過反復的重新確認，判斷為表面波回波信號，排除了缺陷信號的可能。

3 結(jié)論

針對MARK II型的末級葉片檢查，從理論設計到工程實踐均證明了相控陣超聲波原位檢查技術作為新型的檢查方法，可在低壓轉(zhuǎn)子上實施原位檢測工作，檢查信號能反映轉(zhuǎn)子末級葉片第1齒槽的運行狀態(tài)，可以為轉(zhuǎn)子的可靠性論證提供較充分的檢查數(shù)據(jù)。目前單臺低壓轉(zhuǎn)子的開缸檢查運行時間是50 000 h，在引入相控陣超聲波原位檢查后，可以適當延長開缸檢查的時間，切實提高核電廠運行的經(jīng)濟性。

［1]李衍.超聲相控陣技術［J].無損探傷，2007，31（4）：25.