工業(yè)內(nèi)窺鏡在汽輪機制造過程中的應用

田勝華 王 珍

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

汽輪機零部件數(shù)量眾多，多數(shù)處于高溫高壓的惡劣環(huán)境，對材料本身性能要求高，對材料的表面缺陷要求控制嚴格。在不同工況下，工件將承受不同的拉伸、剪切、彎曲及疲勞應力等，表面缺陷就可能成為應力的集中區(qū)，擴展成為裂紋，甚至成為斷裂的起裂點，所以要盡早、及時發(fā)現(xiàn)并消除這類缺陷，方可保證機組安全運行。此外，承載運輸油、汽的零部件如調(diào)速保安系統(tǒng)部件、通流部分部件、油系統(tǒng)以及蒸汽系統(tǒng)部件，必須滿足JB/T 4058—1999《汽輪機清潔度》要求，避免因為異物進入油、蒸汽通道影響機組運行安全。如在電廠機組運行前沖管等工藝措施不能清除的一些附屬物或氧化物，在運行中因沖刷、振動剝落后，直接或破壞各種濾網(wǎng)后隨著高溫高壓的蒸汽進入機組通流部位，會先后對噴嘴葉片、動葉片，甚至轉(zhuǎn)子造成不可逆的破壞，嚴重的可能出現(xiàn)安全事故。

肉眼無法對機組中腔室、管道、裝配等隱藏部位表面進行直觀檢測，而工業(yè)內(nèi)窺鏡因其體積小、便于攜帶、觀測距離長、直徑小、直觀、可定量等特點在此類檢測中發(fā)揮了重要的作用。

1 內(nèi)窺鏡基本知識

目視檢測作為無損檢測的一種形式，而工業(yè)內(nèi)窺鏡的應用，打破了肉眼的限制，使目視檢測視野可達管道、腔體、組裝部套內(nèi)部，可以對裂紋、起皮、拉線、劃痕、凹坑、凸起、斑點、腐蝕、未焊透、焊漏、多余物、裝配缺陷等進行檢測，一些先進的設備已經(jīng)可以達到色溫8000K以上，接近日光色溫，實現(xiàn)色彩的最佳還原，使呈現(xiàn)的缺陷更精確，更好識別。內(nèi)窺鏡具備測量缺陷的能力，如測量缺陷的長度和面積等數(shù)據(jù)。隨著特殊性能材料、照相攝像技術、計算機儲存及處理、鋰電池、光學鏡頭技術、顯示器分辨率等技術的全面提高，內(nèi)窺鏡也逐步升級，具備更精確、更方便、工作范圍更廣、定量測量更具可信度的優(yōu)勢。內(nèi)窺鏡探頭如圖1所示。

2 內(nèi)窺鏡在各制造環(huán)節(jié)中的應用

2.1 科研

核能發(fā)電汽輪機用轉(zhuǎn)子由于體量龐大，很難得到合格的整鍛產(chǎn)品，所以目前都是由鍛成不同部分的輪盤和軸頭焊接而成，這樣可以避免整鍛轉(zhuǎn)子的鍛件缺陷，又減輕了轉(zhuǎn)子的重量，性能得到提升。汽輪機在起機、關機、工況轉(zhuǎn)變過程以及運行中，轉(zhuǎn)子承受了復雜的動載荷和變載荷，缺陷會被復雜的工作環(huán)境放大，加速了焊接接頭的疲勞進程，使缺陷快速擴展成裂紋等極具危害的形態(tài)，造成重大事故。正因為這樣，先進的焊接轉(zhuǎn)子制造技術(包括檢測技術)長期被國外壟斷。東方汽輪機有限公司成功研制出國內(nèi)首根核電用轉(zhuǎn)子。因為不同部分之間有特殊的腔室，在打底焊接時，無法觀測到焊縫背面成型情況，常規(guī)的無損檢測也很難對焊縫背面成型情況進行直觀判斷，所以引入了工業(yè)內(nèi)窺鏡的檢測，將此處焊縫背面表面形態(tài)直觀地展現(xiàn)出來，在焊縫背部成型、背部焊道尺寸控制以及表面缺陷排除方面做了出色表現(xiàn)。給技術人員提供了有效數(shù)據(jù)的支持。我公司還自主設計制作了特殊工裝，解決了探頭軟管進退問題，對內(nèi)窺鏡探頭進行物理局部降溫，克服了對內(nèi)窺鏡工作溫度的限制。如圖2為內(nèi)窺鏡拍攝的焊接轉(zhuǎn)子焊縫背面成型圖。

圖1 內(nèi)窺鏡探頭Figure 1 Endoscopic probe

圖2 焊接轉(zhuǎn)子焊縫背面成型圖Figure 2 Weld back profile of welded rotor

2.2 鍛造

汽輪機中常用內(nèi)窺鏡檢測的鍛件：管道、軸承座腔室等。以無縫鋼管為例，無縫鋼管是通過穿孔法和高速擠壓法得到的。

2.2.1 穿孔法

用穿孔機穿孔，同時用軋輥滾軋，用芯棒軋管機定徑、壓延、平整、成型。

2.2.2 高速擠壓法

在擠壓機中直接擠壓成形，這種方法加工的管材尺寸精度高。所以無縫鋼管內(nèi)孔中的主要表面缺陷有裂紋、折疊、分層和夾雜等。鍛件常見缺陷形態(tài)見圖3。

2.3 焊接

焊接的應用解決了鍛件和鑄件不容易做到的復雜結構，所以在特殊管件和腔室結構上，焊接結構受到設計的青睞。內(nèi)窺鏡對于肉眼不及的腔室及焊縫起到監(jiān)測作用。 汽輪機中常用內(nèi)窺鏡檢測的焊接件有：管道、焊接轉(zhuǎn)子、油箱、焊接空心葉片、焊接隔板腔室、低壓加熱器腔室、凝汽器腔室、軸承箱、齒輪箱、閥門等。

常見缺陷為：縮孔、夾渣、根部未焊透、表面氧化、飛濺、焊瘤、錯邊、根部收縮等。焊接常見表面缺陷形態(tài)見圖4。

以焊接管為例，先將經(jīng)檢測合格的板材卷成管形后，再用自動焊焊接而成，一般大口徑管多用這種方法加工。由于板材已檢測過，所以焊接管常見缺陷為焊縫缺陷。

2.4 鑄造

常見表面缺陷有：夾砂、殘余物、毛刺、交錯孔、氣孔、裂紋及鑄件熱處理過程中的氧化皮等。缺陷的形態(tài)與焊接等工藝制造過程產(chǎn)生的缺陷類似。

主要零部件為：噴嘴室、精鑄空心葉片等。

2.5 加工及倉儲過程

加工及倉儲過程中，由于防護不當造成金屬屑、填料、電焊條和殘留焊條頭、破布、垃圾等進入構件內(nèi)部，由于氧化產(chǎn)生鱗片、銹跡等，常見的表面缺陷形態(tài)見圖5。

2.6 精確測量

檢測標準會對缺陷有一個容忍范圍，所以就需要對缺陷進行測量，以便判斷是否可以接受。內(nèi)窺鏡雙目光學系統(tǒng)技術是利用三維測量原理，內(nèi)置軟件把兩路光學系統(tǒng)捕捉的兩個分離圖像進行立體重建。目前多采用兩種技術：

(1)雙物鏡、雙圖像傳感器成像技術。

(2)雙物鏡、單圖像傳感器分時成像技術。

圖6為雙目立體視覺數(shù)學模型，圖7為雙物鏡雙圖像法對缺陷深度和寬度的測量。

2.7 其他

在汽輪機制造過程中，因為工裝或者特殊部位的限制，需要對隱藏部位進行目視確認。如水壓試驗、總裝觀測等。

2.8 運輸及倉儲中存在的問題

到達電廠的部套在倉儲以及安裝過程中，產(chǎn)品可能會出現(xiàn)一定程度的損傷。如對某燃機缸本體進行檢查時，發(fā)現(xiàn)由于電廠的氣候，或者在倉儲時防護不到位，會出現(xiàn)很多問題：缸內(nèi)銹蝕較為嚴重；缸體內(nèi)部積水嚴重；缸體內(nèi)存在雜物等。

圖3 鍛件常見缺陷形態(tài)Figure 3 Common defects forms of forgings

圖4 焊接常見表面缺陷形態(tài)Figure 4 Common surface defects forms of welding

圖5 加工及倉儲過程常見的表面缺陷形態(tài)Figure 5 Common surface defects forms in machining and warehousing processes

圖6 雙目立體視覺數(shù)學模型Figure 6 Mathematical model of binocular stereo vision

3 對制造的提升

根據(jù)形成的內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)庫，對汽輪機制造中各個環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題精確分析，做到有的放矢，對設計和工藝進行改進，并在合適的工藝階段進行檢測、防護及預防。

(a)深度測量

(b)寬度測量

3.1 清理

清理異物、銹蝕等可采用物理方法和化學方法及兩者相結合的辦法。物理方法如噴丸處理、強風吹掃、拋磨。化學方法(酸洗槽)為：采用硫酸、磷酸、鹽酸(濃度為8%～12%)進行酸洗。物理化學相結合的方法，如在清理軸承管道時，采用高溫蒸汽帶入酸性溶劑的方式進行高溫酸洗。

3.2 防護

對管道、腔室等進行干燥防護：

(1)放置蒙脫石類干燥劑。

(2)噴防銹劑，可用酒精將晶粒狀固體(FERRO-GARD 100E，F(xiàn)ERRO-GARD 100E)溶解，噴入防銹位置。然后用錫箔紙對所有管口或腔室空洞進行封閉處理，最后蓋上臨時蓋板防護。

3.3 預防

對用內(nèi)窺鏡檢出的缺陷數(shù)據(jù)庫，做進一步的分析：

(1)反饋到工藝，如根據(jù)焊縫背面成型情況更改焊接工藝參數(shù)及焊接材料等。

(2)在原始設計選材中，壓力不高的部位選用碳鋼管道，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)銹蝕，且不容易清理與防護，為了保證清潔度，可換成不銹鋼管材，這樣檢測和維護費用降低，因此并沒有增加實際成本。

(3)更改更為合理的裝配順序，調(diào)整內(nèi)窺鏡檢測時間，或增加檢測點。

4 總結

文中列舉了常見的缺陷類型，經(jīng)過長期缺陷數(shù)據(jù)收集分析形成典型案例，給檢測人員提供了參照，作為判斷對比依據(jù)。同時也在工藝改進、設計優(yōu)化、生產(chǎn)等方面起到了積極的作用。所以內(nèi)窺鏡充分發(fā)揮了自身的檢測優(yōu)勢，在汽輪機制造中起到了重要的作用，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，保證了機組效率和安全。