相控陣超聲波檢測技術(shù)在汽輪機葉根檢測中的應(yīng)用

初 希，歐陽權(quán)

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著火力發(fā)電機組裝機容量日益增加，600 MW及1 000 MW機組成為大型火力發(fā)電企業(yè)的主力機組。汽輪機轉(zhuǎn)子葉片作為高速轉(zhuǎn)動部件，隨著電力機組服役時間的增長和調(diào)峰頻率的增加，其運行環(huán)境和受力狀況更加復(fù)雜，易因制造缺陷、材料性能等因素發(fā)生斷裂事故。

汽輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動部分主要由葉片和葉根組成。葉根作為連接汽輪機輪緣和葉片的連接部分，需要保證在任何工況下都能夠?qū)⑷~片牢靠固定在汽輪機葉輪上。如果這些葉片在運行期間出現(xiàn)故障并從轉(zhuǎn)子上斷裂飛脫，就會給轉(zhuǎn)子造成災(zāi)難性的事故，可能會導(dǎo)致爆裂，帶來產(chǎn)生人身事故和附帶損傷的風(fēng)險[1]。

相控陣超聲波檢測技術(shù)相比于傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)，集多角度換能器于一體，可有效提高汽輪機叉型葉根、樅樹型葉根等復(fù)雜金屬部件缺陷的檢出率。

1 相控陣超聲波檢測原理及特點

相控陣換能器由多個小的壓電晶片按照一定序列組成一個陣列，通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦來實現(xiàn)材料的無損檢測。波的形成和掃查見圖1。

圖1 相控陣超聲波檢測原理

相控陣超聲波檢測技術(shù)較常規(guī)超聲方法具有以下優(yōu)點。

a. 檢測速度快。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查快得多，顯著地減少了工廠的停工期，也節(jié)省了費用。

b. 檢測方法靈活。單個相控陣探頭根據(jù)設(shè)置工件不同采用不同的掃查方式，就可以檢測不同的部件。

c.可檢測復(fù)雜面。相控陣可以檢測幾何形面復(fù)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(shù)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。

d.陣列尺寸小。小晶片的陣列在具體檢測中易于應(yīng)用，例如用在檢測空間受限的管道、葉輪等工件中[2]。

2 相控陣超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用

2.1 叉形葉根檢測

汽輪機轉(zhuǎn)子叉形葉根主要應(yīng)用于汽輪機高、中、低壓轉(zhuǎn)子各級葉根。通過有限元分析計算表明：葉根的插銷環(huán)繞區(qū)域是應(yīng)力最集中區(qū)域，由于汽輪機葉根的運行參數(shù)影響，該種型式裂紋具有快速擴展趨勢[3]。

圖2為汽輪機叉型葉根的結(jié)構(gòu)示意圖，1、2處為汽輪機高速運轉(zhuǎn)下的應(yīng)力集中區(qū)域，易出現(xiàn)裂紋缺陷，是檢修過程中對葉根進行無損探傷的重點監(jiān)測部位。試驗根據(jù)圖2制作汽輪機叉型葉根試塊，并在圖2中1、2位置各制作一個寬0.5 mm、深0.3 mm的橫穿孔作為人工缺陷，模擬工況條件下易出現(xiàn)的裂紋缺陷。

圖2 叉型葉根試塊

試驗選用型號為5L16-CA00-SXT的探頭，不采用楔塊，試驗儀器為Olympus OmniscanMX2。首先，將探頭放置于上部檢測區(qū)域，對無人工缺陷的汽輪機叉型試塊進行無損檢測(見圖3a)，其中深色顯示為叉型試塊兩側(cè)面弧形區(qū)上端角結(jié)構(gòu)回波；之后，對設(shè)計制作有人工缺陷汽輪機叉型葉根進行相控陣無損檢測(見圖3b)，對比圖3a、圖3b，除相同的結(jié)構(gòu)反射波之外，帶有人工缺陷的叉型試塊檢測圖中能明顯看到缺陷發(fā)射波，即使用相控陣無損探傷方法能夠?qū)ζ啓C叉型葉根易出現(xiàn)裂紋缺陷的應(yīng)力集中區(qū)進行檢測。

圖3 叉型葉根相控陣檢測

采用相控陣超聲波探傷對汽輪機叉型葉根進行探傷，通過控制換能器各陣元的聚焦、掃查，用軟件分析獲得的試驗數(shù)據(jù)，試驗叉形葉根的二維成像檢測，使檢測結(jié)果簡單直接，從而提升缺陷檢出率。

2.2 樅樹型葉根檢測

汽輪機樅樹型葉根具有間距窄、葉根與葉身交界處變截面長、承載能力強、裝拆方便等優(yōu)點，但是其強度計算相對復(fù)雜,成型刀加工時精度要求比較高。主要應(yīng)用于汽輪機低壓缸轉(zhuǎn)子末級、次末級葉根。在汽輪機運行過程中，葉片根部受到的應(yīng)力主要有離心拉應(yīng)力，蒸汽彎應(yīng)力和偏心彎應(yīng)力[4]。樅樹型葉根的各項應(yīng)力在齒根處變大，通常在第一或第二齒根表面位置應(yīng)力達到極大值。斷裂葉根裂紋絕大多數(shù)均出現(xiàn)在第一齒根內(nèi)弧或外弧部位，因此第一齒根的內(nèi)弧外弧部位為檢測的重點，在此應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)易形成平行于檢測平面的應(yīng)力腐蝕裂紋，由于汽輪機葉根的運行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)影響，該種型式裂紋有快速擴展趨勢直至該葉根完全斷裂。

圖4為汽輪機樅樹型葉根的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1、2處為汽輪機高速運轉(zhuǎn)樅樹型葉根下易出現(xiàn)裂紋缺陷的位置，其中第一齒的根部為應(yīng)力最集中區(qū)域，即檢修過程中對葉根進行無損探傷的重點監(jiān)測部位。設(shè)計與制作樅樹型葉根試塊，并在1、2處位置設(shè)計制作2條模擬人工缺陷，深0.3 mm，寬0.5 mm，從而模擬汽輪機樅樹型葉根易出現(xiàn)的裂紋缺陷。

圖4 汽輪機樅樹型葉根試塊

試驗選用探頭和儀器與叉形葉根相一致。首先，將探頭放置于上部檢測區(qū)域?qū)o人工缺陷的汽輪機樅樹型葉根試塊進行無損檢測(見圖5a)，其中兩側(cè)齒牙弧面具有較強的超聲反射信號；然后，對設(shè)計制作有人工缺陷汽輪機樅樹型葉根進行相控陣無損檢測(見圖5b)，對比圖5a、圖5b可以看出，除相同的結(jié)構(gòu)反射之外，帶有人工缺陷的樅樹型葉根試塊能明顯看到缺陷發(fā)射波，尤其對與探頭所處位置同側(cè)的人工缺陷反射回波比較明顯，能夠反映缺陷的具體位置，即使用相控陣無損探傷方法能夠?qū)ζ啓C樅樹型葉根易出現(xiàn)裂紋缺陷的應(yīng)力集中區(qū)進行檢測。

圖5 樅樹型葉根相控陣檢測

使用相控陣超聲波探傷儀能夠在不拆卸的情況下對發(fā)電企業(yè)汽輪機樅樹型葉根進行無損探傷，而且該種檢測方法簡單、直觀，具有較強的實用價值。

3 結(jié)語

通過使用相控陣超聲波檢測技術(shù)對汽輪機叉型葉根和樅樹型葉根的無損探傷應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論。

a.使用相控陣超聲波檢測技術(shù)可以實現(xiàn)對汽輪機葉根的覆蓋檢測。

b.使用自動檢測裝置可以實現(xiàn)葉根檢測數(shù)據(jù)與檢測位置的對應(yīng)，數(shù)據(jù)成像直觀，有助于對回波信號的判讀。

c.使用超聲相控陣模擬軟件，可以為工藝制定、缺陷識別提供幫助。

d.使用三維軟件對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進行分析，可以方便檢測工藝的制定。