汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子菌形葉根超聲相控陣檢測(cè)

黃橋生，陳紅冬，龍 毅，熊 亮，胡 彬

（1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，長沙 410007；2.湖南省電力公司 科學(xué)研究院，長沙 410007）

汽輪機(jī)中要求最高、工作量最大的部件是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上需裝數(shù)以千計(jì)的各式各樣大小葉片，每一個(gè)葉片的葉根在高溫、高壓、高速轉(zhuǎn)動(dòng)中，承受著數(shù)十噸甚至數(shù)百噸的離心力、彎力和扭力，使得轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的過程中可能導(dǎo)致葉片葉根裂紋的產(chǎn)生，甚至造成葉根斷裂，某電廠葉根斷裂見圖1，從而影響到轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行。我國電站大型汽輪機(jī)裝機(jī)規(guī)模近10年來連續(xù)迅速增加，600MW及以上容量機(jī)組已成為主力機(jī)組，葉片工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，安全可靠性愈顯重要。即使葉片發(fā)生輕微的損傷，所引起的汽輪機(jī)安全可靠性的降低也是不容忽視的［1］。

圖1 葉根斷裂

1 相控陣研究現(xiàn)狀

超聲相控陣技術(shù)源于雷達(dá)天線電磁波相控陣技術(shù)，最初被用于醫(yī)療領(lǐng)域［2］，在20世紀(jì)60年代初期才被引入超聲自動(dòng)探傷領(lǐng)域中［3］。但由于相關(guān)技術(shù)的限制，直到90年代末期才被廣泛認(rèn)可，并出現(xiàn)了商品化的相控陣探傷儀。

近年來，超聲相控陣檢測(cè)與成像技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已成為工業(yè)無損檢測(cè)學(xué)科新的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)有：① 采用電子方法控制聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃查，可以在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)較大角度范圍的快速掃查，提高檢測(cè)效率。② 具有良好的聲束可達(dá)性，能對(duì)復(fù)雜幾何形狀的工件進(jìn)行檢測(cè)。③ 通過控制焦點(diǎn)尺寸、焦區(qū)深度和聲束方向，可使檢測(cè)分辨力、信噪比和靈敏度等性能得到提高。④ 相控陣技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的多種視圖成像，檢測(cè)結(jié)果直觀，便于對(duì)缺陷的識(shí)別與判定。

2 菌形葉根型式及重點(diǎn)檢測(cè)位置

菌型葉片葉根結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，高、中壓轉(zhuǎn)子的葉片葉根帶有軸封（見圖2），低壓轉(zhuǎn)子葉片葉根沒有軸封。菌形葉根有單菌、雙菌和三菌，該種葉根的應(yīng)力集中在靠近葉片的第一菌處。無損檢測(cè)要求能發(fā)現(xiàn)第一菌處裂紋，檢驗(yàn)難度較大，檢測(cè)方式也各有不同。

圖2 菌形葉根

3 探頭和試塊

在役不拆卸狀態(tài)下葉身、葉根結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲檢測(cè)時(shí)隨著探頭的移動(dòng)截面尺寸變化大，信號(hào)識(shí)別困難，操作空間極其有限，檢測(cè)時(shí)所需的聲波角度范圍大至幾十度，使用常規(guī)超聲檢測(cè)需要更換幾十個(gè)探頭，勞動(dòng)強(qiáng)度大，基本無法實(shí)現(xiàn)正常檢測(cè)。探頭在不同的檢測(cè)位置其檢測(cè)面與齒根缺陷的夾角不同，使得相同尺寸的缺陷，回波幅值不一樣，檢測(cè)時(shí)靈敏度設(shè)置復(fù)雜，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)很難給缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量。

3.1 檢測(cè)探頭

陣列探頭是超聲相控陣系統(tǒng)重要部件之一。針對(duì)不同的部件，不同的檢測(cè)目的，需要設(shè)計(jì)不同參數(shù)、形式的相控陣陣列探頭。工業(yè)無損檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的陣列探頭為一維線性陣列探頭，線陣探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，對(duì)儀器硬件要求相對(duì)低于面陣探頭，易于現(xiàn)場(chǎng)便攜式使用。

對(duì)于薄壁工件可以選擇更高的頻率。頻率越大，圖像的分辨率越高。根據(jù)葉根檢測(cè)的特點(diǎn)選取頻率為5MHz。陣元數(shù)N的增加，可以使聲束指向性更好。陣元數(shù)越多，主瓣寬度越小，旁瓣幅值也會(huì)變小。在N≥8的情況下，陣元數(shù)對(duì)旁瓣幅值的影響越來越小。隨著陣元數(shù)的增加，探頭尺寸相對(duì)也會(huì)增加。綜合考慮選取N＝16。增加陣元間距d，聲束的指向性會(huì)更好。d的增加，會(huì)使主瓣寬度變小。但是，d取值過大，會(huì)帶入柵瓣。所以可以在不帶入柵瓣的情況下，取較大的d值。在N取值確定的情況下選取d＝0.4mm。陣元寬度a是對(duì)指向性影響最小的一個(gè)參數(shù)。增大a可以增大在控制方向上的聲壓，獲得更好的性噪比。適當(dāng)增大a值，也會(huì)使旁瓣變小，但是變小的范圍很有限，選取a＝0.45mm。綜上所述，設(shè)計(jì)探頭的參數(shù)為：中心頻率5MHz±500kHz；陣元數(shù)16；陣元中心間距0.4mm；陣元隔離槽寬0.05mm；陣元長度6mm。

3.2 試塊設(shè)計(jì)

相控陣探頭各個(gè)陣元按照聚焦法則進(jìn)行激發(fā)疊加成相應(yīng)的主聲束，但由于各陣元之間存在一定的聲學(xué)性能差異，同時(shí)各陣元聲波到達(dá)焦點(diǎn)的聲程不同，產(chǎn)生的衰減也不同，這些都將導(dǎo)致不同位置的主聲束靈敏度存在一定的差異，給缺陷探測(cè)和定量帶來困難。因此需要使用試塊對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，使各個(gè)聲束在同一深度位置具有相同的靈敏度。

根據(jù)葉根檢測(cè)的深度要求，將靈敏度校準(zhǔn)和TCG曲線制作時(shí)的試塊合二為一，設(shè)計(jì)YG－1試塊，見圖3。試塊可采用材質(zhì)均勻，晶粒度≥7級(jí)的20號(hào)鋼鍛件制作，或采用與被檢工件聲學(xué)性能相同或相近似的材料制成。圖3中試塊精度±0.05mm，表面粗糙度Ra≤3.2μm。

圖3 試塊實(shí)物圖

3.3 檢測(cè)信號(hào)

在菌形葉根的第一菌處電火花加工10mm×1.0mm×0.4mm的人工槽，掃查剖面圖見圖4，超聲相控陣人工檢測(cè)信號(hào)見圖5，6。

3.4 裂紋波的判斷

在葉片葉根的第一菌處有人工槽時(shí)，顯示屏上葉根底波前，凹槽端角第一個(gè)反射波后會(huì)出現(xiàn)裂紋波，且裂紋波當(dāng)量遠(yuǎn)大于第一個(gè)反射波當(dāng)量，同時(shí)第二個(gè)凹槽端角反射波明顯下降或消失。當(dāng)葉根無人工槽時(shí)，第一個(gè)凹槽端角反射波及第二個(gè)凹槽端角反射波噪聲較低，且不會(huì)出現(xiàn)裂紋波。

圖6 人工缺陷信號(hào)

4 結(jié)論

針對(duì)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子菌形葉根開發(fā)的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠較好地分辨葉根試塊上的人工缺陷，數(shù)據(jù)判讀精確，實(shí)現(xiàn)了對(duì)第一菌處的全覆蓋檢測(cè)。解決了大容量機(jī)組菌形葉根的超聲檢測(cè)難題。

［1］權(quán)正鐘.加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根槽用簡(jiǎn)易數(shù)控雙頭銑床的研制［J］.中國設(shè)備工程，1997，1（8）：10－13.

［2］鐘志民，梅德松.超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.無損檢測(cè)，2002，24（2）：69－71.