高溫?zé)煔廨啓C葉片數(shù)字射線檢測工藝試驗及應(yīng)用

鄒立群 顧 軍

（1.上海石油化工股份有限公司；2.上海石化設(shè)備檢驗檢測有限公司）

煙氣輪機是石化催化裝置回收煙氣能量的重要設(shè)施，葉片為煙氣輪機的主要部件，運行中除承受高溫應(yīng)力、 氣流壓力和催化劑粉塵磨蝕外，還要承受葉輪旋轉(zhuǎn)時的離心力和葉片前后氣流壓差產(chǎn)生的壓應(yīng)力，受力情況十分復(fù)雜。 另外，裝置運行過程中時有工藝操作波動、超溫等狀況發(fā)生， 盡管煙氣輪機機組均配有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)——測量軸瓦溫度、 轉(zhuǎn)子振幅和轉(zhuǎn)子軸位移，但這些實時的監(jiān)測手段往往很難預(yù)判煙氣輪機葉片生成的裂紋，尤其是煙氣輪機運行一個周期后，在高溫下葉片材料特性的衰減和蠕變，會促使裂紋的產(chǎn)生和擴展，造成葉片在運轉(zhuǎn)期間突發(fā)斷裂和機組停車故障。

目前，有關(guān)煙氣輪機葉片的質(zhì)量控制，國外文獻中尚無十分嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 國內(nèi)HG/T 3650—2012《煙氣輪機技術(shù)條件》規(guī)定在制煙氣輪機葉片棒料狀態(tài)進行常規(guī)UT，而在鍛造、熱處理和精加工階段出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，不能實現(xiàn)可靠檢測并及時發(fā)現(xiàn)。 對運行一個周期后的葉片如何進行無損檢測，目前國內(nèi)外均無明確規(guī)定，一般僅做目視檢測和滲透檢測，用以發(fā)現(xiàn)葉片外觀和開口性缺陷。 航空領(lǐng)域的發(fā)動機葉片檢測以工業(yè)CT 檢測為主，高昂的檢測費用和較低的檢測效率不適合石油化工裝置上煙氣輪機葉片的檢測。 隨著計算機與電子技術(shù)的快速發(fā)展［1］，射線數(shù)字成像檢測技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其優(yōu)勢不僅表現(xiàn)在無膠片的圖像存儲和傳輸，豐富的圖像處理技術(shù)拓展了射線數(shù)字成像的應(yīng)用范圍，可根據(jù)實際情況及時調(diào)整透照參數(shù)以取得最佳的檢測圖像。 數(shù)字射線檢測技術(shù)（Digital Radiographic Testing）是能夠獲得數(shù)字化圖像的檢測技術(shù)［2］，檢測結(jié)果直觀。 為此，筆者通過工藝試驗和批量檢測驗證提出煙氣輪機葉片的X 射線數(shù)字成像檢測工藝。

1 數(shù)字射線檢測技術(shù)

X 射線數(shù)字成像是基于射線的穿透特性和衰減特性，利用射線的光、電轉(zhuǎn)換材料和圖像傳感器來獲得可被顯示和記錄的數(shù)字圖像，其成像原理如圖1 所示。 被檢測物體接受X 射線照射，由于密度和厚度的差別使得穿透射線的強度發(fā)生了改變；探測器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換屏將穿透射線轉(zhuǎn)換為可見光或電子，從而被圖像傳感器記錄；通過外圍電路讀出圖像傳感器像元記錄的電信號并進行數(shù)字化處理后，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機系統(tǒng)進行顯示、處理和存儲［3～5］。

圖1 X 射線數(shù)字成像原理示意圖

數(shù)字成像檢測系統(tǒng)一般由射線機、非晶硅成像板、 成像-顯示控制單元及計算機系統(tǒng)等部分組成［5］。 檢測采用DeReO HE-P4040 探測器，平板類型為非晶硅，質(zhì)量11kg，尺寸610mm×600mm×30mm（長×寬×高），有效區(qū)域400mm×400mm，像素尺寸200μm， 灰度等級14bit， 操作溫度-20～50℃；射線機采用GE-300，最大管電壓300kV，焦點尺寸3mm×3mm； 計算機系統(tǒng)采用DELL Inspiron 高分辨率圖像工作站，軟件采用DeReO 探測器配套的Maestro 4.0 版本，能實現(xiàn)探測器和射線機的同步軟件控制。

2 工藝試驗

2.1 模擬試塊制作

走訪國內(nèi)知名的煙氣輪機葉片生產(chǎn)商和使用單位發(fā)現(xiàn)， 葉片的失效模式主要是疲勞斷裂，運行中斷裂的碎片撞擊其他完好葉片，隨后會陸續(xù)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致機組停車。 結(jié)合幾起失效事故案例，斷裂部位主要發(fā)生在受力比較復(fù)雜的榫槽根部和葉片與榫槽交界處。 煙氣輪機停車檢修時，通過滲透檢測發(fā)現(xiàn)在受力較小的葉頂部位存在裂紋。

考慮到檢測的可靠性，結(jié)合以往檢修過程中發(fā)生的缺陷類型并利用廢舊葉片加工模擬試塊（圖2），每個榫槽均勻分布5 條模擬裂紋（長度10mm，高度0.5mm）。 最大榫槽穿透厚度約40.0mm，每個榫槽內(nèi)均加工有模擬裂紋，用于確定受幾何不清晰度的影響是否需要透照兩側(cè)。 葉根處是整個葉片最厚部位，形狀為馬刀形， 在兩側(cè)分別布置5 條模擬裂紋 （長度10mm，高度0.5mm），用來確定檢測系統(tǒng)的管電壓和焦點參數(shù)。 葉身厚度為2.2～40.0mm，厚度變化范圍較大， 在葉身反面均布19 條模擬裂紋（圖3，長度10mm，高度0.5mm）。 綜上，在葉身正、反面設(shè)置模擬缺陷是為了更好地消除幾何不清晰度的影響，在布置模擬裂紋時厚度變化差應(yīng)控制在6mm 以內(nèi)，而且保持平板探測器平直不彎曲。

圖2 模擬試塊正面人工模擬缺陷分布

圖3 模擬試塊反面人工模擬缺陷分布

2.2 工藝試驗參數(shù)

煙氣輪機葉片的厚度2.2～40.0mm，輪廓尺寸295mm×175mm；保證穿透的前提下，選取GE-300高頻恒壓X 射線機；為了獲取較高的圖譜質(zhì)量和檢測效率，選擇尺寸610mm×600mm×30mm（長×寬×高）、 有效區(qū)域400mm×400mm、 像素尺寸200μm 的平板探測器。

經(jīng)測厚得知，19#和58#模擬缺陷處穿透厚度最大，因此作為本試驗的關(guān)鍵點。 兩處模擬缺陷位于葉身最厚處的兩個表面，為了便于區(qū)別它們的成像，在兩處模擬裂紋的交錯端放置不同直徑的銅絲。 通過多次試驗， 當(dāng)管電壓300kV、 焦距600mm、管電流3mA、透照時間30s 且射線機窗口用0.6mm 厚銅板作過濾板時，兩處模擬缺陷可被清晰顯示（圖4）。 由圖4 可見，19#模擬缺陷影像不如58#清晰，這是幾何不清晰度造成的，在實際檢測過程中需對此處進行正、反兩面透照，以防缺陷漏檢。

圖4 19#和58#模擬缺陷處的透照影像

通常，在制或在役時，煙氣輪機葉片數(shù)量較多， 確定每片葉片的最少透照次數(shù)很有工程意義。 通過多次試驗對比發(fā)現(xiàn)，對本試塊進行6 次透照后，所有模擬缺陷均可發(fā)現(xiàn)，將這6 次透照的工藝參數(shù)列于表1。

表1 煙氣輪機葉片透照工藝參數(shù)匯總表

3 工程應(yīng)用

某催化裝置停車檢修，需對58 片煙氣輪機葉片進行數(shù)字射線檢測， 根據(jù)上述工藝試驗參數(shù)檢測后發(fā)現(xiàn)8 片葉片存在缺陷， 其中一片在葉頂和榫槽處均發(fā)現(xiàn)有缺陷， 缺陷類型為裂紋和夾雜，檢測結(jié)果見表2，缺陷圖譜中紅色標(biāo)記部分為缺陷位置。 由此可知，檢測達到了預(yù)期的效果。

表2 煙氣輪機葉片數(shù)字射線檢測結(jié)果

（續(xù)表2）

4 結(jié)論

4.1 數(shù)字射線技術(shù)可以應(yīng)用于煙氣輪機葉片檢測，并能高效率識別檢出裂紋類缺陷和體積型缺陷。

4.2 煙氣輪機葉片規(guī)格型號較多，針對不同型號的煙氣輪機葉片進行數(shù)字射線檢測時，需制作同尺寸模擬試塊進行工藝試驗。

4.3 石化裝置的葉片形式多種多樣， 有扭彎葉片、三元流葉片及馬刀形葉片等，葉片的厚度變化大，空間多維變化，較厚部位一定要考慮幾何不清晰度的影響， 在滿足穿透能力的前提下，盡量選擇尺寸較小的焦點。

4.4 發(fā)現(xiàn)缺陷時，要仔細分析圖譜，并重新進行透照或通過其他無損檢測方法的輔助確認(rèn)，避免有雜物遺落在成像板上造成的偽缺陷。

4.5 制作模擬試塊時，某些部位可設(shè)置成“直角形”，以便其他無損檢測技術(shù)的應(yīng)用研究。