大型轉子鍛件超聲檢測技術的發(fā)展

文/J·Vrana，A·Zimmer，K·Bailey

譯/陽東?！の鏖T子中國有限公司

大型轉子鍛件超聲檢測技術的發(fā)展

文/J·Vrana，A·Zimmer，K·Bailey

譯/陽東?！の鏖T子中國有限公司

目前，火力發(fā)電汽輪機和發(fā)電機大型轉子鍛件采用超聲探傷。幾十年前它們的探傷采用接觸式直探頭進行手工探傷，隨著超聲探傷能力的不斷增強，斷裂力學計算水平的提高，汽輪機運作和檢測技術經驗的積累，以及多角度檢測的應用，設計工程師對檢測方式提出了以下要求。確定缺陷大小，提高最小檢測缺陷，引入角度掃描和發(fā)射/回收雙晶掃描，以及采用現(xiàn)代化的自動探傷設備。基于這些改變，全球范圍內開始應用基于模型來確定缺陷大小的技術（比如DGS曲線），以及現(xiàn)代超聲技術（比如相控陣）。

西門子能源生產各種發(fā)電及能源傳輸產品，包括汽輪機、燃氣輪機和發(fā)電機，及各自相應的鍛件。本文介紹用于西門子生產的這類產品中所使用的大型轉子鍛件，及對其超聲檢測的要求（或技術規(guī)范）。

大型轉子鍛件超聲檢驗

1954年起，西門子內部要求鍛件必須人工超聲檢測，至今仍在使用，如圖1所示。

圖1 人工超聲檢測

典型缺陷

超聲檢驗以電子信號的方式，顯示材料內部潛在缺陷或其他不連續(xù)性，給材料科學家及工程師對關鍵部件質量評估提供了一個新的方向。針對不同探頭和掃描參數(shù)，確定不同缺陷的相對可探測性變得重要起來。下面是鍛造和熱處理過程中經常產生的典型缺陷。

⑴金屬夾雜。鍛件中最難探測的缺陷之一，其聲阻抗和基體材料的聲阻抗接近。因此，如果兩者之間沒有間隙來產生足夠的反射，金屬夾雜幾乎不會產生超聲反射。

⑵非金屬夾雜。通常缺陷為離散狀分布或云狀分布，非內生夾雜物通常軸向和徑向超聲檢驗的可探測性都非常好。特別是因為鍛造工藝，它們的朝向通常平行于表面。

圖2 不能被徑向檢測探測出來的缺陷

圖3 探測偏心缺陷

⑶氫致白點。通常在晶界處形成，表現(xiàn)為多個隨機朝向的單個缺陷。隨機朝向的特點可能會導致檢測時，單個氫致白點沒有被檢測出來。不過由于它們通常多點形成，全部檢測不出來的機率非常小。

⑷二次縮孔。在鋼錠凝固過程中形成的裂縫，比如鍛造過程中在剪應力最大的位置破裂，或加熱太快導致的撕裂。如果鍛造工藝過程是均勻的，這些缺陷通常位于中心。因此徑向掃查可以探測到這些缺陷，但由于這類缺陷表面相對于超聲脈沖的波長通常是粗糙的，需考慮回波散射，使得確定缺陷大小有困難。然而這個探測方法的缺點可以通過觀察背反射波幅突降等方式克服。

⑸淬火裂紋。淬火時形成，始于工件表面，向內生長。因此，最佳UT檢測方法是使用橫波或表面波。

帶角度的缺陷

盡管大部分典型的缺陷能被徑向檢測探測出來，但也有缺陷朝向不垂直于任何掃查波束位置的情況，此時底波降低甚至底波消失，如圖2所示。當探頭移動到非正對缺陷后，才能看到聲束擴展錐形范圍內有減弱的回波信號。這導致該缺陷看起來存在位置偏差，缺陷當量會被低估。特別是當使用一個典型的直徑25mm、射頻2MHz和2.25MHz的探頭時，此類探頭典型的-6dB聲束擴展大約為4°，其首個旁瓣始于大約8°，傾斜大于4°時，缺陷尺寸低估的數(shù)值是可觀的。

偏心的缺陷

圓形部件比如輪盤或軸，其中的偏心缺陷也有上述類似問題。如圖3所示這類缺陷大都不會被直接探測到。只有當探頭沿著部件移動大約90°時，能在聲束擴展范圍內探測到缺陷。然而，其位置偏離大約90°，到缺陷位置的聲程比應有的要長，滿足s'＞s的條件。而且該缺陷會顯得尺寸小，因為它是被負聲束檢測到的。更為嚴重的是，如果該缺陷的反射波幅小于噪聲，缺陷就根本探測不出來。

尺寸的確定方法及斷裂力學

上個世紀60年代初期，設計工程師在設計、評估新型和已有的轉子鍛件時，采用了斷裂力學方法，要求在評估超聲測試發(fā)現(xiàn)的缺陷時，增加確定該缺陷尺寸的步驟。確定轉子鍛件中的缺陷尺寸，采用的是基于波幅的定量評估方法。對于大于聲束擴展范圍的缺陷，通過探頭移動來確定缺陷大?。▌討B(tài)回波定量，如-6dB法）；對于小于聲束擴展范圍的缺陷，使用基于波幅的缺陷定量評估方法。兩種缺陷定量的方法都已證實具有足夠的一致性和可靠性，再加上采用安全系數(shù)，可以提供一種保守的設計方式。

移動探頭確定缺陷大小

采用探頭移動來確定缺陷大小時，技術人員在工件表面的兩維移動探頭，觀察顯示屏上的信號，通過信號波幅突降來估計缺陷在兩維方向的大小，第三維的尺寸通過聲程來確定。因此，對于大于聲束擴展半直徑的缺陷，所有三維方向的大小都能得到。

基于波幅來確定缺陷大小

對于小于聲束擴展直徑的缺陷，大多使用基于波幅的缺陷尺寸估計方法。缺陷在工件中的位置通過聲程和探頭在工件表面的位置來確定。然而尺寸的信息與反射波幅有關。通過聲程以及和人工反射體（比如平底孔FBH）的反射波相比較來修正反射波幅，從而得到當量尺寸。相反，采用波幅的缺陷尺寸確定反射波幅的方法是基于點對點的定量技術的有效性。

超聲檢測早期使用的最傳統(tǒng)的方法，采用基于多個平底孔校正的距離波幅修正法（DAC）。然而此DAC僅僅基于兩個測量點：一點在3英寸（約76mm），另一點在11英寸（約280mm），并外推到22英寸（約560mm）和33英寸（約840mm），外推基于平方反比定律。

1959年在歐洲廣泛應用的距離-增益-尺寸法（DGS或AVG），將信息歸并入了一張非常方便的圖表。這時底波或特定平底孔尺寸的波幅損失（增益）畫在了聲程坐標上。這個坐標系統(tǒng)中不同的底波曲線始于上部（低的增益值），多條曲線對應于不同的平底孔值。那些平底孔對應曲線在遠場中平行，隨著平底孔減小，增益值增加。使用這張圖表，不僅校驗設備非常容易，而且確定缺陷尺寸也變得簡單。

汽輪機運行事故分析

1970年，鍛制了一根330MW汽輪機低壓轉子。運行了16年之后，發(fā)電汽輪機歷史上最嚴重的事故發(fā)生了。轉子爆裂，部分轉子飛出了汽輪機缸體和發(fā)電廠外墻，甚至有的落到了距發(fā)電廠1.3km（約1英里）的地方，幸運的是沒有人員傷亡。

圖4 低壓轉子事故

圖5 缺陷偏心分布

這次事故的原因是一個鍛造缺陷，在制造檢測時有超聲顯示。當時評估為等同于一個5mm的平底孔，底波完全消失。該缺陷被判定為一組不大的非金屬夾雜的群體顯示，因此被接受。然而事故發(fā)生后詳細的冶金學調查確定，失效原因來自四個二次縮孔。發(fā)現(xiàn)的最大縮孔有一只手掌那么大，并且是偏心的。由于這種偏心分布該缺陷顯示被低估了50～60dB，如圖5所示。

圖5a為1970年轉子檢驗的情形，圖5b為1989年起對于無中心孔鍛件強制角度掃查，圖5c為帶中心孔的鍛件強制角度掃查，要求覆蓋中心孔周邊（高應力）區(qū)。

對于沒有中心孔的工件，角度不得超過-6dB波束擴展的兩倍，這樣偏心或帶角度的缺陷顯示即使被低估了也不會超過6dB。這意味著一個標準的2MHz、直徑為25mm的探頭，必須采用70、140、210、280掃查，如圖5b所示。而且，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷顯示要求采用中間角度使波幅響應最大化，以得到最佳的尺寸確定。

對于帶中心孔工件，最高應力區(qū)域環(huán)繞中心孔，使得徑向缺陷非常關鍵。因此，聲束與中心孔相切的掃查，及覆蓋環(huán)繞中心孔高應力區(qū)域的大角度掃查方式被引入。

1974年，事故發(fā)生在一個1957年投入使用的225MW蒸汽輪機中—低壓轉子鍛件上。運轉了17年之后，在蠕變引發(fā)的疲勞和脆性斷裂的綜合作用下，該轉子鍛件裂成了多個碎片，如圖6所示。詳細的冶金調查后發(fā)現(xiàn)一個MnS偏析區(qū)是開裂源頭。并且，回火和氫脆也是導致其失效的原因。此次事故后特地在行業(yè)內引入了中心孔超聲檢測。

圖6 TAV Gallatin轉子事故

超聲檢測的發(fā)展

早期的燃氣輪機轉子鍛件生產使用的是蒸汽輪機轉子鍛件的超聲檢測規(guī)范。上世紀80年代初期隨著燃氣輪機在火力發(fā)電行業(yè)的廣泛應用，其超聲檢測規(guī)范和蒸汽輪機區(qū)別開來。而且，由于燃氣輪機轉子采用堆垛輪盤結構，軸向掃查被引入以提高發(fā)現(xiàn)缺陷的概率。

隨著基于計算機的超聲儀器和機電傳動技術的發(fā)展，開始出現(xiàn)自動化的超聲檢測系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)的優(yōu)點是對超聲檢測過程的關鍵因素提供更精確的控制，尤其是探頭位置、掃查速度、接觸壓力、探頭方向和角度控制。因為有超聲數(shù)據的電子記錄，缺陷探測的可靠性和一致性得到了提高。由于有記錄，A、B和C掃查的離線評估，以及其他評估方法變得可能，而且還能和其他檢測進行更加一致的比較。1995年安裝于Saarschmiede，用于西門子轉子鍛件的首套自動化的檢測系統(tǒng)。

過去幾十年，渦輪發(fā)電機性能要求日益嚴格，我們已經利用更好的轉子鍛件生產工藝，提高超聲技術，將超聲檢測靈敏度從最初的缺陷當量為5mm平底孔，提升到缺陷當量0.7mm平底孔。2009年西門子統(tǒng)一了全球應用的燃氣輪機轉子鍛件規(guī)范。

結束語

大型轉子鍛件檢測未來的改進主要有以下6點：

⑴縮短檢測時間以降低制造成本，目前最短的檢測時間為大約1天檢測1個簡單的燃氣輪機輪盤。

⑵改進數(shù)據分析流程以更好地描述缺陷，降低失效風險，提高生產件成功率。

⑶三維超聲數(shù)據和其他無損探傷數(shù)據相融合，以提升缺陷尺寸。

⑷方便工程師設計，將完整的無損探傷結果整合進三維計算機輔助設計工程工具。

⑸將工件服役以后的無損探傷結果完全整合進來，反饋給生產制造和設計、吊運，以及運行維護。

⑹采用概率設計方法提高設計富余，以放寬檢測標準。