AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦的超聲檢測(cè)工藝

何書嶺

（山東核電有限公司，煙臺(tái) 265116）

AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦由于結(jié)構(gòu)及澆鑄工藝的特殊性，國內(nèi)尚未有成熟適用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。筆者對(duì)AP1000汽輪機(jī)軸瓦的超聲檢測(cè)工藝進(jìn)行探討，以期對(duì)后續(xù)AP1000汽輪機(jī)軸瓦的制造、安裝及在役檢查中的超聲檢測(cè)提供有益的參考及借鑒。

1 AP1000汽輪機(jī)軸瓦

AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)采用日本三菱（以下簡稱MHI）設(shè)計(jì)的單軸、四缸六排汽再熱凝汽式汽輪機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1500rpm。其支撐軸承有8套，軸瓦瓦體材料為JIS標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)SC450（碳含量0.35%以下鑄鋼），軸瓦表面合金材料為WL－2，其成分以錫為主，加入了少量銅、鎳、銻構(gòu)成的巴氏合金，故又稱為白合金或巴氏合金。軸承巴氏合金對(duì)瓦體的澆鑄結(jié)合性的要求很高，否則在機(jī)組運(yùn)行過程中形成軸承巴氏合金層脫層現(xiàn)象的話，易造成燒瓦事故，影響汽輪機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。因此，AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦在制造、安裝、在役運(yùn)行中都應(yīng)對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)巴氏合金的脫層情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備隱患。

AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)由于為半速機(jī)（轉(zhuǎn)速1500n／min），汽輪機(jī)軸徑大，其軸瓦具有軸瓦直徑大，最大規(guī)格φ785mm×785mm；設(shè)計(jì)要求巴氏合金層與瓦體（鑄鋼）的結(jié)合強(qiáng)度高（不低于80N／mm2）；采用靜態(tài)澆鑄技術(shù)（目前常用的離心澆鑄工藝，結(jié)合強(qiáng)度無法達(dá)到設(shè)計(jì)值）；瓦體采用燕尾槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軸瓦巴氏合金為橢圓結(jié)構(gòu)，其軸瓦底部巴氏合金層最薄處為3mm，端部最厚處為17mm。

圖1 AP1000核電汽輪機(jī)軸瓦宏觀形貌

綜合以上特點(diǎn)，靜態(tài)澆鑄工藝控制難度大，稍有偏差便可能產(chǎn)生缺陷。由于有結(jié)合面燕尾槽結(jié)構(gòu)，超聲檢測(cè)軸瓦合金層時(shí)存在盲區(qū)且缺陷顯示判定難度大。

2 AP1000汽輪機(jī)軸瓦超聲檢測(cè)工藝

AP1000核電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)方為MHI，MHI對(duì)于汽輪機(jī)軸瓦有專門驗(yàn)收規(guī)程。其中對(duì)超聲檢測(cè)從工藝及缺陷的驗(yàn)評(píng)都有詳細(xì)規(guī)定，與目前國內(nèi)軸瓦檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異。

2.1 探頭的選擇

對(duì)于超聲檢測(cè)方法，選擇適合的探頭是工藝制定的前提條件。表1是國內(nèi)外關(guān)于合金軸瓦檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭頻率及晶片尺寸的要求。從表1可以看出，軸瓦合金面檢測(cè)探頭常用單晶和雙晶兩種探頭型式，常采用的頻率為5MHz，晶片尺寸一般控制在φ10mm以內(nèi)。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭的要求

對(duì)于AP1000汽輪機(jī)軸瓦的超聲波檢測(cè)，推薦采用5MHz，φ10mm的單晶直探頭。理由如下：

（1）采用雙晶聚焦探頭，目的是減小盲區(qū)，對(duì)聚焦區(qū)域的檢測(cè)靈敏度高。軸瓦合金層超聲檢測(cè)的重點(diǎn)是對(duì)巴氏合金與瓦體脫殼缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且允許的缺陷面積較大（對(duì)于合金內(nèi)的氣孔等缺陷，并不是關(guān)注的重點(diǎn)），單晶直探頭對(duì)結(jié)合層已經(jīng)有足夠的靈敏度，采用雙晶聚焦探頭的作用不大。

（2）從實(shí)際檢測(cè)看，由于雙晶方晶片探頭與軸瓦表面的接觸面大，耦合效果不好，軸瓦合金硬度較低，對(duì)表面的光潔度要求高，探頭的棱角易劃傷軸瓦表面合金。

（3）以目前探頭制作水平，單晶探頭的盲區(qū)可達(dá)到2mm甚至更小。

（4）探頭頻率高的優(yōu)點(diǎn)是：超聲波的發(fā)射能量更強(qiáng)，聲波的指向性更好，超聲波的近場區(qū)更小，對(duì)小缺陷的分辨率更好；但其缺點(diǎn)是超聲波在工件中的衰減系數(shù)更大。巴氏合金的組織晶粒細(xì)密，超聲波在傳播中，不存在由于晶粒粗大而導(dǎo)致的衰減嚴(yán)重情況；AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦巴氏合金層的厚度范圍在2～17mm，聲程的衰減較小，因此采用高頻率探頭更適合。

（5）頻率高的探頭對(duì)檢測(cè)軸瓦巴氏合金層缺陷識(shí)別及判定更有利。

表2為實(shí)際測(cè)試的一組數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)測(cè)不同探頭結(jié)合層一次波及二次波反射波幅

由式（1）得出的理論計(jì)算值：當(dāng)一次反射波H1為80%時(shí)，二次反射波H2理論值應(yīng)為8.2%（已知反射率r＝0.32，r值計(jì)算見式（4））。

從測(cè)試的結(jié)果看，采用不同的探頭頻率，當(dāng)一次反射波幅80%時(shí)，2.5MHz探頭二次反射波不考慮其他誤差，與理論值相近；4MHz、5MHz探頭二次反射波幅更低，即一次波幅與二次波幅的dB差更大。這是由于頻率增高，超聲波波長變短，聲波的聲程衰減系數(shù)增大的原因。在軸瓦檢測(cè)中，一般是用二次反射波進(jìn)行判斷評(píng)價(jià)缺陷的；對(duì)于相同的掃查靈敏度，存在脫層缺陷時(shí)，相當(dāng)于在結(jié)合層處產(chǎn)生平底反射，因此有很高的反射波；無缺陷時(shí)，頻率高的探頭界面二次反射波較低。軸瓦結(jié)合層良好時(shí)的波幅顯示如圖2。因此，選用較高頻率探頭對(duì)探傷時(shí)缺陷識(shí)別及判定更有利。

圖2 軸瓦結(jié)合層良好時(shí)的波幅顯示

綜上所述，對(duì)于AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦的超聲檢測(cè)，推薦采用5MHz，φ10mm單晶直探頭。

2.2 靈敏度的確定

AP1000軸瓦檢測(cè)執(zhí)行MHI的檢測(cè)規(guī)程，該規(guī)程規(guī)定對(duì)軸瓦超聲檢測(cè)可以選用巴氏合金試塊，也可以選用碳鋼試塊來進(jìn)行檢測(cè)靈敏度的調(diào)節(jié)。

檢測(cè)靈敏度根據(jù)試塊可按表3的任一方式調(diào)整。

表3 超聲波檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)方法

白合金TP試塊是采用軸瓦表面材料一致的巴氏合金制作的試塊，STB－A3、A1試塊是符合JIS Z2345－2000標(biāo)準(zhǔn)制作的碳鋼試塊，其形狀與用途同CSK－I試塊相似。B2、B3、B4、B6分別為第二、三、四、六次底面回波。

MHI規(guī)程中規(guī)定采用碳鋼試塊進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)是一種很好的方法。按照此探傷靈敏度調(diào)節(jié)方法（在調(diào)節(jié)時(shí)僅是應(yīng)用了試塊的厚度，此處不對(duì)試塊形狀進(jìn)行描述），不用特制軸瓦巴氏合金的試塊，只需一塊已知厚度的碳鋼試塊即可完成靈敏度的調(diào)整，簡便實(shí)用，而且結(jié)果準(zhǔn)確，值得在國內(nèi)軸瓦制造，安裝及在役檢查中推廣。

以5Z10N探頭為例：采用碳鋼試塊JIS STBA3調(diào)整探傷靈敏度，將直探頭放置在試塊上，試塊厚度（T）方向作為大平底，將第6次平底反射波調(diào)整到100%波高，即完成探傷靈敏度的調(diào)整，如圖3所示。

圖3 碳鋼試塊靈敏度調(diào)節(jié)示意

下面分析其靈敏度是否滿足檢測(cè)要求?！禗L／T 297—2011汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)合金軸瓦超聲波檢測(cè)》中規(guī)定“5.4.2合金層厚度大于5mm時(shí)，探頭應(yīng)置于參考試塊合金與背襯材料結(jié)合良好部位，將界面波調(diào)整至滿屏的80%，再增益4～6dB?！保?］

《JB／T 4272—1994汽輪機(jī)巴氏合金軸瓦技術(shù)條件》（等同ISO 4386－1：1992）中規(guī)定：“采用不用背面回波探測(cè)法時(shí)，將結(jié)合面結(jié)合良好的部位的一次反射波調(diào)整到80%波高?！保?］

可以看出，軸瓦超聲波檢測(cè)時(shí)，其他標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靈敏度的規(guī)定一般是選擇軸瓦合金結(jié)合面完好時(shí)，結(jié)合面的一次反射波高的80%再適當(dāng)提高增益，視情況而定。

以探頭5Z10DN為例，表4為設(shè)備、探頭、探頭線、環(huán)境溫度等相同條件下波幅（dB）實(shí)測(cè)值。

表4 實(shí)測(cè)碳鋼試塊反射波與軸瓦結(jié)合層反射波波幅

MHI規(guī)程與其他規(guī)程規(guī)定探傷靈敏度比較如表5所示。

表5 MHI規(guī)程與其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定探傷靈敏度的比較

從表5的比較可以看出，采用JIS STB－A3試塊調(diào)節(jié)的探傷靈敏度是足夠的，相同條件下不低于國內(nèi)外軸瓦檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的探傷靈敏度。

2.3 采用碳鋼試塊調(diào)節(jié)儀器對(duì)軸瓦巴氏合金檢測(cè)時(shí)深度的確定

已知鋼中的超聲波聲速為5900m／s，而在巴氏合金中的聲速為3320m／s（實(shí)測(cè)值），可以通過計(jì)算完成兩種材料厚度的換算：

式中：TSn為巴氏合金厚度；TFe為鋼件厚度；Csn為聲波在巴氏合金中的聲速，m／s；CFe為聲波在鋼中的聲速，m／s。

實(shí)際超聲檢測(cè)時(shí)，對(duì)于深度定位，可以根據(jù)聲波在鋼中及巴氏合金中的聲速計(jì)算出實(shí)際的深度值。例如：當(dāng)示波屏顯示深度為10mm，則結(jié)合層實(shí)際厚度為5.6mm；也可在碳鋼試塊調(diào)節(jié)好探傷儀的水平線性，在實(shí)際檢測(cè)中將探傷儀參數(shù)設(shè)置中的聲速調(diào)整為3320m／s，示波屏上顯示的深度值即為真實(shí)深度。

3 軸瓦缺陷的判定

軸瓦的超聲檢測(cè)主要是檢測(cè)巴氏合金與瓦體的分層缺陷。通過理論計(jì)算得出規(guī)律，以便于對(duì)顯示波形波幅的判斷。

3.1 軸瓦合金結(jié)合面良好時(shí)的反射波與軸瓦合金脫層時(shí)反射波的波幅差

巴氏合金與鋼的聲阻抗公式為：

式中：Z為聲阻抗；ρ為密度；C為材料聲速。

巴氏合金的密度為ρSn＝7.3g／cm3（實(shí)測(cè)AP1000軸瓦巴氏合金密度值）；巴氏合金的聲速為CSn＝3320m／s；鋼的密度為ρFe＝7.8g／cm3；鋼中的聲速為CFe＝5900m／s。

代入式（3）得到：

合金層聲阻抗為ZSn＝ρSnCSn＝2.42×106g／cm2；

鋼的聲阻抗為ZFe＝ρFeCFe＝4.63×106g／cm2；

超聲波從巴氏合金表面入射，軸瓦合金界層的反射率r為：

結(jié)合層分離時(shí)與結(jié)合良好時(shí)的波幅差為：

當(dāng)軸瓦合金層與瓦體結(jié)合良好時(shí)，結(jié)合面的聲壓反射率為0.32；當(dāng)合金與瓦體結(jié)合層脫層時(shí)，近似平底反射，不考慮衰減及擴(kuò)散，聲壓反射率近似等于1。

3.2 瓦體底面與結(jié)合層波幅差

假設(shè)軸瓦底面與合金結(jié)合層是平行結(jié)構(gòu)，通過超聲波的往復(fù)透過率計(jì)算出軸瓦的底面反射波與合金結(jié)合層結(jié)合良好時(shí)的波幅差。

瓦體底面往復(fù)透射率為：

軸瓦底面反射波與結(jié)合層良好時(shí)的波幅差為：

由理論計(jì)算得出：當(dāng)軸瓦巴氏合金與瓦體結(jié)合良好時(shí)，結(jié)合面反射波與瓦體底面波相差11dB（相當(dāng)于底面波80%波高，結(jié)合面反射波23%波高）；當(dāng)軸瓦巴氏合金與瓦體結(jié)合層脫層時(shí)，分層反射波與結(jié)合良好時(shí)反射波相差10dB（相當(dāng)于如合金層脫層結(jié)合面反射波80%波高，結(jié)合良好時(shí)反射波約25%波高）。

上述兩點(diǎn)，對(duì)于實(shí)際探傷時(shí)判斷缺陷很重要。即使軸瓦合金與瓦體結(jié)合良好，當(dāng)探傷靈敏度足夠高時(shí)，由于異質(zhì)界面的存在，依然會(huì)有結(jié)合層界面波的波形顯示。

3.3 軸瓦超聲檢測(cè)中幾種典型波形判斷

3.3.1 巴氏合金層結(jié)合良好時(shí)波形顯示

采用已確定的探傷靈敏度檢測(cè)時(shí)，結(jié)合層結(jié)合良好時(shí)超聲波檢測(cè)波形如圖4所示。合金結(jié)合面一次反射波高出100%屏高，有結(jié)合面二次反射波，但波高低于50%屏高；如瓦體底面與合金面平行時(shí)，有底波顯示，波高較高。顯示說明結(jié)合面結(jié)合良好，無缺陷。

3.3.2 合金結(jié)合層脫層時(shí)的波形顯示

當(dāng)結(jié)合面反射波幅很高，并出現(xiàn)多次結(jié)合面回波，且軸瓦瓦體底波消失時(shí)（圖5），顯示出合金與軸瓦瓦體結(jié)合層脫層。實(shí)際探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，另一個(gè)顯著的特征是結(jié)合層的多次回波波高衰減符合超聲波的衰減規(guī)律，說明脫層缺陷的面積至少大于探頭晶片尺寸。

圖4 結(jié)合層良好時(shí)的波形顯示

圖5 結(jié)合層脫層時(shí)的波形顯示

3.3.3 分散性小量脫層缺陷波形顯示

在實(shí)際超聲檢測(cè)中，還存在一種情況：在探傷靈敏度下存在一次反射波、二次反射波，無三次反射波或很低（低于20%），軸瓦底波有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)；另一個(gè)顯著的特征是，當(dāng)移動(dòng)探頭時(shí)，顯示波很快消失，此時(shí)可以認(rèn)為合金結(jié)合層存在分散性小量脫層，或由于巴氏合金在澆鑄中氣體未釋放出來，結(jié)合層存在氣孔缺陷。其波形顯示如圖6。

圖6 分散性小量脫層缺陷及結(jié)合層氣孔波形顯示

3.4 關(guān)于燕尾槽邊緣區(qū)域超聲檢測(cè)的缺陷判定

對(duì)于軸瓦燕尾槽區(qū)域，DL／T 297－2011在適用范圍內(nèi)明確不適用此區(qū)域的檢測(cè)，MHI規(guī)程則對(duì)此區(qū)域沒有提出特殊要求。在實(shí)際超聲檢測(cè)中，由于結(jié)構(gòu)原因，燕尾槽區(qū)域的檢測(cè)在判定時(shí)存在一些特殊性。下面結(jié)合實(shí)際檢測(cè)對(duì)燕尾槽邊緣區(qū)域的缺陷判定進(jìn)行分析。

AP1000汽輪機(jī)軸瓦存在燕尾槽結(jié)構(gòu)，燕尾槽深度6.5mm，燕尾槽寬度3.3mm，其合金層最厚處厚16.5mm。

從圖7可看出，當(dāng)探頭剛好位于燕尾槽上部時(shí)，超聲波聲束先通過巴氏合金層，再經(jīng)過瓦體，當(dāng)遇到瓦體與合金層斜結(jié)合面時(shí)，由于聲波是斜入射到燕尾槽下的巴氏合金，聲波在界面會(huì)發(fā)生折射。

圖7 超聲波入射到燕尾槽邊緣處的折射及反射示意圖

當(dāng)超聲波斜入射到燕尾槽下巴氏合金時(shí)，由折射定律［3］可計(jì)算出聲束的折射角為29.2°；當(dāng)超聲波到達(dá)燕尾槽下部巴氏合金與軸瓦瓦體界面時(shí)，再次發(fā)生反射，其反射角為29.2°，此時(shí)聲束反射后將無法被探頭接收。即圖8中區(qū)域2范圍內(nèi)，燕尾槽下部巴氏合金與瓦體界面的脫層缺陷不能被發(fā)現(xiàn)（即盲區(qū)）；但燕尾槽斜面區(qū)域（圖8中區(qū)域1）如存在脫層或氣孔等缺陷是可以被發(fā)現(xiàn)的。

圖8 軸瓦燕尾槽邊緣檢測(cè)區(qū)域示意

在AP1000軸瓦超聲檢測(cè)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)沿燕尾槽的線性顯示，其特點(diǎn)是反射波幅不高，缺陷顯示斷續(xù)，沿燕尾槽方向，有一定的長度。這是因?yàn)椋孩俅颂幟搶尤毕莘较蚺c聲束有一定的角度，部分聲波反射損失。②缺陷的橫向尺寸小于聲速的截面尺寸，因此只有部分聲束參與此缺陷的反射。

由于以上原因，該處脫層缺陷的聲束反射能量較低。于是，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)燕尾槽區(qū)域的缺陷反射波幅不高。因此，當(dāng)燕尾槽區(qū)域出現(xiàn)二次反射波高于50%，缺陷走向沿燕尾槽方向，有一定的長度時(shí)，可判定其為合金層脫層缺陷，而無需等到三次波出現(xiàn)。

3.5 軸瓦巴氏合金脫層缺陷的判定

3.5.1 定性

AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦超聲檢測(cè)中，以結(jié)合層3次反射波出現(xiàn)（高于20%）作為判定的依據(jù)，即在檢測(cè)靈敏度下，結(jié)合層良好狀態(tài)時(shí)最多出現(xiàn)結(jié)合層二次反射波，如出現(xiàn)結(jié)合層第三次反射波或更多次反射，可以判定為脫層缺陷。

對(duì)于燕尾槽邊緣區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)原因會(huì)導(dǎo)致聲波波幅降低，可以結(jié)合層二次波高于50%作為判定依據(jù)。值得注意的是，在燕尾槽邊緣存在檢測(cè)盲區(qū)（燕尾槽下部約3.3mm長度的結(jié)合層區(qū)域）時(shí)，對(duì)于脫層性缺陷，一般來說具有一定的面積，當(dāng)脫層延續(xù)到燕尾槽遮蓋部位以外也可以被檢測(cè)到；當(dāng)在此區(qū)域檢測(cè)到脫層缺陷，如從缺陷深度上能判定為燕尾槽內(nèi)脫層缺陷，在確定缺陷當(dāng)量時(shí)應(yīng)考慮擴(kuò)大范圍；另一種方法，可以采用小角度斜探頭對(duì)此區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，以避免檢測(cè)盲區(qū)。

3.5.2 定量

當(dāng)判定出現(xiàn)結(jié)合層脫層缺陷時(shí)，以結(jié)合面二次反射波高50%作為脫層當(dāng)量缺陷的邊界，即：當(dāng)發(fā)現(xiàn)脫層缺陷時(shí)，在合金表面移動(dòng)探頭，當(dāng)結(jié)合層二次反射波高降到50%時(shí)，就可認(rèn)為該處是缺陷的邊緣，從而確定缺陷的面積大小。

4 結(jié)語

（1）對(duì)于AP1000核電機(jī)組，由于其結(jié)構(gòu)（直徑大，采用燕尾槽結(jié)構(gòu)）及澆鑄工藝（靜態(tài)澆鑄）等特點(diǎn)，目前國內(nèi)尚無適合的軸瓦超聲檢測(cè)規(guī)程，上述軸瓦結(jié)合層超聲檢測(cè)工藝，經(jīng)實(shí)踐證明是有效可行的。

（2）三菱（MHI）軸瓦驗(yàn)收準(zhǔn)則中采用碳鋼試塊的靈敏度調(diào)整方法，簡單方便，具有足夠的檢測(cè)靈敏度。而且，由于不需要專門試塊，對(duì)在役軸瓦的超聲檢測(cè)具有實(shí)用價(jià)值，也為國內(nèi)其他機(jī)組的軸瓦超聲檢測(cè)提供了一種思路。

（3）已有的軸瓦超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此類軸瓦的檢測(cè)工藝尚未考慮。因此，對(duì)于目前AP1000核電機(jī)組的在役軸瓦超聲檢測(cè)，考慮到與設(shè)計(jì)的一致性及可行性，應(yīng)采用MHI軸瓦檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲檢測(cè)。

［1］DL／T 297－2011汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)合金軸瓦超聲波檢測(cè)［S］.

［2］JB／T 4272－1994汽輪機(jī)巴氏合金軸瓦技術(shù)條件［S］.

［3］鄭輝，林樹青.超聲波檢測(cè)［M］.北京：中國社會(huì)勞動(dòng)保障出版社，2008.