汽輪機樅樹型葉輪超聲相控陣對比試塊的設(shè)計

周路生，陳冰川，鄭子昂

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

根據(jù)國內(nèi)外發(fā)電廠（包括核電廠）汽輪機運行的反饋情況，汽輪機葉輪的齒槽在運行過程中可能產(chǎn)生裂紋，一旦裂紋擴展至失穩(wěn)狀態(tài)，將危及汽輪機的整體安全。

目前，國內(nèi)外汽輪機葉輪與葉片根部的常見連接形式，主要有T型、騎縫鉚孔叉型、切向裝配樅樹型、軸向裝配樅樹型等四種。其中，切向裝配樅樹型廣泛應(yīng)用于核電廠汽輪機（如秦山三期的高壓轉(zhuǎn)子）上。

切向裝配樅樹型葉輪槽上可能產(chǎn)生裂紋的部位，從外部不可接近。因此，難以采用磁粉、滲透和渦流等無損檢測方法，而采用常規(guī)超聲方法檢測，一般需要將葉片全部拆除，才能保證檢測的可達性和覆蓋范圍。

1999年，美國核電廠將超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用到汽輪機葉輪的檢測［1］。這種超聲相控陣檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)在不拆除葉片的情況下進行檢測；利用相控陣的扇型掃查方式，能提高超聲檢測的可達性和覆蓋范圍。但這種方法在國內(nèi)核電廠汽輪機葉輪上的應(yīng)用卻鮮有報道，而核電廠的管理運行業(yè)主又迫切需要進行此項檢測任務(wù)。

按照要求，新方法用于實際檢測應(yīng)用之前，需要進行檢測能力驗證。因此，有必要設(shè)計出合適的模擬缺陷試塊并進行試驗，以驗證超聲相控陣檢測技術(shù)對切向裝配樅樹型葉輪上可能產(chǎn)生的缺陷的檢測能力。筆者根據(jù)汽輪機切向裝配樅樹型葉輪的工作受力分析，結(jié)合現(xiàn)場裂紋的分布情況，設(shè)計加工了用于超聲相控陣檢測的對比試塊，并進行了相關(guān)檢測技術(shù)試驗。

1 試塊的設(shè)計

1.1 試塊外觀設(shè)計

為了排除不同材質(zhì)對超聲波聲束的影響，試塊的材質(zhì)采用與某核電廠（秦山三期）汽輪機高壓轉(zhuǎn)子葉輪相同的材質(zhì)30Cr2Ni4MoV，試塊的原料尺寸為160mm×100mm×100mm。按照在轉(zhuǎn)子上測繪獲得的葉輪上各個齒槽的高度差別，確定各個齒槽的尺寸，然后對齒槽進行圓弧過渡擬合出試塊的整體外形，如圖1所示。

圖1 葉輪對比試塊的整體3D效果圖

圖2 葉輪與葉根結(jié)合處的裂紋示意

1.2 人工反射體加工位置

大量汽輪機失效案例的研究結(jié)果表明，這種切向裝配樅樹型葉輪上出現(xiàn)的裂紋，通常出現(xiàn)在齒槽的圓角過渡區(qū)［2］（圖2），因為此區(qū)域為齒槽結(jié)合的應(yīng)力集中區(qū)［3］，受力情況較為復(fù)雜，在氣液兩相的腐蝕下容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋。

由于內(nèi)圓弧為葉輪與葉根的結(jié)合部位，是應(yīng)力集中區(qū)域，容易在此區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，所以設(shè)計的12個人工槽分布在上下各三級齒槽的內(nèi)圓弧上，如圖3所示。每個齒槽內(nèi)布置了2個人工槽，槽與槽的間距大于25 mm，并且與試塊的邊緣有一定距離，以避免超聲波束由于邊緣效應(yīng)而影響試驗結(jié)果。

1.3 人工參考反射體參數(shù)［4］

這些萌生于齒槽圓角過渡區(qū)的裂紋，實際生長方向一般與齒槽方向呈10°～50°，如圖4所示［3］；裂紋擴展后，它的方向逐漸趨于與齒槽方向平行，即大尺寸的裂紋一般為0°方向。所以，在試塊上設(shè)計了3種不同傾斜角度（0°，22.5°，45°）的裂紋，以便分析缺陷生長方向?qū)Τ暀z出和定量的影響。

圖3 葉輪對比試塊設(shè)計圖

圖4 葉輪齒槽處裂紋的角度示意

裂紋從萌生到擴展、直至失穩(wěn)斷裂，通常要經(jīng)歷微小尺寸的萌生期、中等長度的擴展期以及大尺寸的失穩(wěn)斷裂期等三個尺寸變化階段；所以，為了完整模擬這三個階段，有必要模擬相應(yīng)階段對應(yīng)的不同長度的裂紋來進行超聲信號的研究分析。

根據(jù)這三個階段的尺寸變化規(guī)律，在葉輪模擬裂紋試塊上，制作了常見的中等尺寸機加工槽、模擬裂紋擴展初期的小尺寸槽和模擬裂紋經(jīng)過一定擴展時期的大尺寸槽，以實現(xiàn)模擬裂紋實際擴展的三個階段。具體模擬裂紋機加工槽的尺寸參數(shù)，見表1。

為了模擬葉輪上產(chǎn)生的平面型缺陷的應(yīng)力腐蝕裂紋，機加工槽的寬度應(yīng)盡可能的窄，人工反射體槽寬均設(shè)置為0.15mm；由于試塊的設(shè)計主要是為了使核電廠盡早發(fā)現(xiàn)葉輪槽上的早期裂紋，所以設(shè)計的大部分模擬裂紋以0.5，1mm為主；同時，為了測試檢測系統(tǒng)的極限能力，還設(shè)計了更小尺寸的0.3mm槽，另外還設(shè)計了一個模擬裂紋擴展至中后期階段的大尺寸5mm槽；與高度相對應(yīng)，人工反射體槽的設(shè)計長度以5，10mm為主，兩個極限能力的槽對應(yīng)的長度為3，20mm。

2 試驗驗證

試驗時采用AGR公司TD－Scan（RX）超聲相控陣儀器，5MHz32陣元相控陣探頭5P32L；在相應(yīng)的有機楔塊SPWZ3－N55S－IHC上產(chǎn)生35°～75°的橫波，對所制作的模擬裂紋對比試塊進行超聲相控陣扇形掃查。

表1 對比試塊機加工槽尺寸參數(shù)表

利用超聲相控陣能實現(xiàn)多角度發(fā)射聲束的優(yōu)勢，在試驗過程中不需要前后移動探頭或者更換探頭改變斜射波角度，便可將某一面的一側(cè)的三個齒槽內(nèi)的人工反射體同時檢出，并顯示在儀器的采集界面上。實施檢測時，在試塊兩面分別采集對面齒槽的人工反射體信號，齒槽結(jié)構(gòu)信號及人工槽信號，如圖5，6所示。

圖5 試塊齒槽結(jié)構(gòu)信號圖

通過比較所采集的試塊上的所有人工反射體槽的超聲相控陣信號圖，可以清晰地看到齒槽結(jié)構(gòu)信號，其臨近的人工槽信號也清晰顯示出來（圖6（b））。葉輪對比試塊上的齒槽附近的12個人工槽信號，包括設(shè)計的極限小尺寸（深度0.3mm）和大尺寸（深度5mm）均能有效檢出。注：分別對應(yīng)圖6（c）中4＃人工槽信號及圖6（a）中10＃人工槽信號。

人工槽的角度對檢測靈敏度有一定的影響，這是因為當(dāng)扇掃聲束與人工槽之間的角度增加時，槽端點信號的強度會變?nèi)?，?dǎo)致此類傾斜槽的檢測靈敏度有所降低。

圖6 各人工反射體槽的信號圖

3 結(jié)論

（1）利用超聲相控陣對切向裝配樅樹型葉輪檢測時，檢測過程中不需要前后移動探頭或者更換探頭改變斜射波角度；且只需要進行一次掃查就能夠覆蓋樅樹型葉輪的全部三個齒槽。

（2）試塊上制作的模擬缺陷人工反射體，模擬了裂紋萌生擴展的三個階段所對應(yīng)的尺寸，能夠充分驗證超聲相控陣檢測技術(shù)的檢測能力。

（3）超聲相控陣檢測技術(shù)可以檢出高度為0.3mm的人工槽，能夠滿足核電廠在役檢查發(fā)現(xiàn)細微裂紋的需要。

［1］ 劉鵬飛.用于汽輪機葉輪檢查的相控陣技術(shù)［J］.國外核動力，2002（4）：63－64.

［2］ ZAYICEK P.Phased Array Performance Demonstration for Blade Attachment Inspection［R］.［s.l.］：［s.n］，2005.

［3］ SEUNGHAN Y，BYUNGSIK Y，YONGSIK K.U－sing phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount－type low－ pressure turbine disc［J］.NDT＆E International，2009：128－132.

［4］ 黃橋生，陳紅冬，龍毅，等.汽輪機轉(zhuǎn)子樅樹型葉根超聲相控陣檢測新技術(shù)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：114－116.