在役活動(dòng)導(dǎo)葉材料聲學(xué)特性研究

蘇 巖，敬燕飛，鄧 韜，李 陽(yáng)

（國(guó)能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

1 引言

活動(dòng)導(dǎo)葉是水電機(jī)組重要的過(guò)流部件，是水流能量的控制設(shè)備，隨機(jī)組負(fù)荷變化而頻繁調(diào)節(jié)流量大小，從而承受著交變疲勞載荷，更因機(jī)組裝配不適使得活動(dòng)導(dǎo)葉瓣體邊緣與頂蓋或座環(huán)卡澀，導(dǎo)致活動(dòng)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受著巨大的扭矩載荷?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)水電站機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉多為砂型鑄造件，外表面多不規(guī)則變截面的異型件，其制造工藝決定在生產(chǎn)中不可避免的產(chǎn)生夾渣、氣孔、裂紋、分層等缺陷，這些缺陷在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期承受疲勞載荷的作用而開(kāi)裂失效，活動(dòng)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖1。隨著水電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量的增大活動(dòng)導(dǎo)葉已大型化，制造過(guò)程中因工藝原因不同致使活動(dòng)導(dǎo)葉不同位置的聲學(xué)規(guī)律不盡相同，通過(guò)對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉材料聲學(xué)特性研究，總結(jié)出不同位置超聲波檢測(cè)缺陷的判別方法，以期及時(shí)掌握活動(dòng)導(dǎo)葉質(zhì)量狀況并采取必要的預(yù)防監(jiān)督措施，從而保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖1 活動(dòng)導(dǎo)葉軸結(jié)構(gòu)及尺寸圖

2 超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)是利用材料和缺陷的聲學(xué)特性差異對(duì)超聲波傳播波形反射狀況和反射時(shí)間以及聲能變化的影響來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。超聲波是高頻率機(jī)械波，在材料中以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面波束性質(zhì)就會(huì)改變，產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象，利用這些超聲波不同性質(zhì)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的超聲波檢測(cè)。再根據(jù)缺陷反射波顯示的位置和幅度，測(cè)定缺陷的位置和大小。影響超聲波聲學(xué)性質(zhì)的有探頭類型、頻率、面積、帶寬和材料聲速、衰減系數(shù)等，通過(guò)測(cè)定材料的聲學(xué)性質(zhì)和根據(jù)需要檢測(cè)的缺陷類型及缺陷位置來(lái)選擇合適的探頭。

活動(dòng)導(dǎo)葉為砂型鑄造件，超聲波檢測(cè)面臨的技術(shù)難題是聲能嚴(yán)重衰減，且活動(dòng)導(dǎo)葉大型化，聲程變大，更加劇了聲能的損失，不同活動(dòng)導(dǎo)葉制造工藝不同，聲學(xué)特性也略有差異，甚至同一活動(dòng)導(dǎo)葉的不同位置，聲學(xué)性質(zhì)也不同，需要通過(guò)測(cè)量不同活動(dòng)導(dǎo)葉不同位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，總結(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉材料的聲學(xué)傳播規(guī)律。

活動(dòng)導(dǎo)葉材料超聲可探性可通過(guò)比較參考反射體回波（或第一次底波）和信噪比來(lái)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)應(yīng)選擇鑄件具有代表性的區(qū)域，參考回波高度至少高出噪聲信號(hào)6 dB。如果在工件最大厚度處檢測(cè)到最小平底孔或相當(dāng)橫孔直徑的回波高度小于6 dB，則可探性下降?？赏ㄟ^(guò)對(duì)比試塊測(cè)得，或通過(guò)工件大平底，或相當(dāng)于大平底的實(shí)心圓柱體圓弧底面測(cè)量，并由公式（1）、（2）、（3）計(jì)算獲得。

式中P0—探頭波源的起始聲壓；FS—探頭波源的面積，F(xiàn)S=；Ff—平底孔缺陷的面積，F(xiàn)f=；λ—波長(zhǎng)；X—平底孔至波源的距離或大平底至波源的距離；Df—要求探出的最小平底孔尺寸；N—近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，mm。

通過(guò)對(duì)比試塊測(cè)得平底孔當(dāng)量，因工件的表面狀態(tài)和材質(zhì)衰減與試塊存在一定差異，需考慮試塊與工件的傳輸修正影響。

3 材料聲學(xué)特性測(cè)定

3.1 聲速測(cè)量

聲速可在活動(dòng)導(dǎo)葉具有代表性的Φ360 mm、Φ370 mm 軸段上，相當(dāng)于大平底面實(shí)心圓柱底面，利用1、2 次底波或多次底波測(cè)量，但需考慮活動(dòng)導(dǎo)葉機(jī)械加工的尺寸誤差是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，選取具有代表性的位置，如該位置熱處理工藝相同，晶粒度相近，遠(yuǎn)離變截面，測(cè)量多次求平均值，減小誤差。也可以利用對(duì)比試塊測(cè)量，因每個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉不同位置制造工藝不同而聲速略有差異，對(duì)比試塊不具備每個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉不同位置聲速的代表性，需選取不同活動(dòng)導(dǎo)葉具有代表性的位置制作一組對(duì)比試塊。

對(duì)比試塊加工2 個(gè)相互平行的大平底面，不得有大于Φ2 mm 平底孔當(dāng)量缺陷，符合JB/T 8428-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求，尺寸誤差不大于±0.05 mm，粗糙度不低于Ra=1.6 μm，利用1、2 次底波或多次底波求縱波聲速，多次測(cè)量求平均值，減小誤差。

3.2 材料衰減系數(shù)測(cè)定

因材料引起超聲波衰減的因素是晶粒散射和介質(zhì)吸收，未涉及擴(kuò)散衰減。對(duì)于鑄件的活動(dòng)導(dǎo)葉而言，材料衰減系數(shù)公式（4）等于散射衰減系數(shù)aa公式（5）和吸收衰減系數(shù)as公式（6）之和。

式中：f—超聲波頻率；d—介質(zhì)的晶粒直徑；λ—波長(zhǎng)；F—各向異性系數(shù)；c1、c2、c3、c4—常數(shù)。

由以上公式可知：介質(zhì)的吸收衰減與頻率成正比。介質(zhì)的散射衰減與f、d、F有關(guān)，當(dāng)d＜λ，散射衰減系數(shù)與d3、f4成正比。對(duì)于鑄件，材料晶粒較粗大時(shí)，若采用較高的頻率，將會(huì)引起嚴(yán)重衰減，視波屏出現(xiàn)大量草波，信噪比明顯下降，超聲波穿透能力顯著降低，可探性將下降。

（1）活動(dòng)導(dǎo)葉本體測(cè)量

對(duì)于利用活動(dòng)導(dǎo)葉Φ360 mm、Φ390 mm 軸段本身測(cè)量縱波的衰減系數(shù)，選用具有代表性的位置，根據(jù)第1、第2 次底波B1、B2高度來(lái)測(cè)定衰減系數(shù)，其中B1、B2高度差由擴(kuò)散衰減、介質(zhì)衰減和介質(zhì)損失引起，由公式（7）計(jì)算得出。

式中：B1、B2—第1、第2 次底波高度；6—擴(kuò)散衰減引起的分貝差；δ—反射損失，每次反射損失約為（0.5～1.0 dB）；X—工件厚度。

（2）對(duì)比試塊測(cè)量

利用厚度較小、上下底面平行、表面光潔的對(duì)比試塊來(lái)測(cè)量，可用直探頭放置在對(duì)比試塊表面或活動(dòng)導(dǎo)葉瓣體35 mm 的法蘭盤(pán)上，利用上下表面的多次反射回波高度測(cè)量，由于介質(zhì)衰減和反射損失，使底波高度依次減小，介質(zhì)衰減系數(shù)由公式（8）計(jì)算得出。公式（8）沒(méi)有考慮擴(kuò)散衰減，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試塊厚度或活動(dòng)導(dǎo)葉瓣體法蘭盤(pán)厚度來(lái)確定底波次數(shù)，使聲波的傳播距離在波束未擴(kuò)散區(qū)（X≤1.64N）。

式中：Bm、Bn—第m、第n次底波高度；δ—反射損失，每次反射損失約為（0.5～1.0 dB）；X—對(duì)比試塊的厚度。

4 對(duì)比模擬試塊

縱波主要檢測(cè)活動(dòng)導(dǎo)葉中與軸表面平行或存在較小夾角的平面型缺陷以及體積型缺陷。對(duì)比試塊中的人工缺陷需代表上述缺陷的特性。

對(duì)比試塊是以特定方法檢測(cè)待檢工件時(shí)采用的試塊。對(duì)比試塊加工的人工缺陷具有代表性，與被檢活動(dòng)導(dǎo)葉材料聲學(xué)特性相似，外形尺寸能代表被檢活動(dòng)導(dǎo)葉的特征，試塊的厚度應(yīng)與被檢活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)應(yīng)，主要用于評(píng)估缺陷的當(dāng)量尺寸，以及將所檢出的不連續(xù)信號(hào)與試塊中已知反射體產(chǎn)生的信號(hào)相比較。

活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)比試塊反射體是直徑為6 mm 的平底孔，垂直于試塊表面。一套對(duì)比試塊應(yīng)至少有6 個(gè)平底孔，深度依次為25 mm、50 mm、75 mm、150 mm 和255 mm、360 mm。對(duì)比試塊的聲束衰減和待檢工件的聲束衰減之間的差異應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)和計(jì)算進(jìn)行修正。

模擬試塊是含有模擬缺陷的試塊，可以是模擬活動(dòng)導(dǎo)葉實(shí)際缺陷而制作的樣件，或者是以往檢測(cè)中所發(fā)現(xiàn)含有自然缺陷的活動(dòng)導(dǎo)葉，但自然缺陷當(dāng)量、方向、位置具有代表性，能評(píng)價(jià)和驗(yàn)證儀器探頭系統(tǒng)的檢測(cè)能力和檢測(cè)工藝的可靠性。

5 檢測(cè)靈敏度

5.1 活動(dòng)導(dǎo)葉本體測(cè)量

可在實(shí)際活動(dòng)導(dǎo)葉具有代表性的Φ360 mm、Φ370 mm 軸段上，相當(dāng)于大平底面的實(shí)心圓柱底面，測(cè)得某一波高（如80%）dB 值，利用公式（1）、（2）、（3）計(jì)算同一深度處Φ6 mm 平底孔相同波高的dB差值。在大平底面80%波高基礎(chǔ)上增益與Φ6 mm平底孔相同波高的dB 差值，作為基準(zhǔn)靈敏度，如在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)某一深度處的缺陷，應(yīng)將靈敏度調(diào)至此深度處?kù)`敏度再做評(píng)判。

5.2 對(duì)比試塊測(cè)量

利用活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)比試塊反射體Φ6 mm 平底孔，不同深度25 mm、50 mm、75 mm、150 mm、 255 mm、370 mm 制作DAC 曲線。當(dāng)對(duì)比試塊和實(shí)際活動(dòng)導(dǎo)葉表面狀態(tài)和材質(zhì)衰減存在一定差異時(shí)需適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)償，即對(duì)檢測(cè)靈敏度修正?；顒?dòng)導(dǎo)葉對(duì)比試塊一般采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際導(dǎo)葉機(jī)加工而成，表面狀況基本一致，只考慮不同活動(dòng)導(dǎo)葉因制造工藝差別而引起的材質(zhì)衰減不同，利用公式（8）計(jì)算的材質(zhì)衰減系數(shù)，對(duì)靈敏度進(jìn)行修正。

6 缺陷判定

當(dāng)對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，在基準(zhǔn)靈敏度下，發(fā)現(xiàn)缺陷的第1 次反射波（F1）波幅高于距離-波幅曲線或底面第1 次反射波（B1）波幅降低量≥12 dB 以及認(rèn)為是線狀或片狀缺陷者，都需對(duì)缺陷記錄評(píng)定。

在對(duì)缺陷進(jìn)行當(dāng)量和長(zhǎng)度的測(cè)量時(shí)，當(dāng)缺陷面積小于聲束直徑時(shí)，利用對(duì)比試塊，采用當(dāng)量法來(lái)判定缺陷當(dāng)量大小。當(dāng)缺陷面積大于聲束直徑時(shí)，利用缺陷反射波判別缺陷，用缺陷6 dB 法測(cè)定缺陷面積，當(dāng)缺陷波過(guò)小或消失時(shí)，采用底波降低12 dB 作為缺陷邊界測(cè)定缺陷面積。在對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉軸周向檢測(cè)時(shí)，探頭移動(dòng)的距離不再是缺陷的指示長(zhǎng)度，如圖2 所示，外圓周向測(cè)長(zhǎng)時(shí)，缺陷指示長(zhǎng)度Lf利用公式（9）計(jì)算。

圖2 活動(dòng)導(dǎo)葉周向檢測(cè)指示長(zhǎng)度修正示意

式中：L—探頭移動(dòng)的外圓周長(zhǎng)，mm；R—活動(dòng)導(dǎo)葉的半徑，mm；Xf—缺陷的聲程，mm。

7 結(jié)論

本文介紹了利用超聲波檢測(cè)活動(dòng)導(dǎo)葉檢測(cè)方法，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉砂鑄件的聲學(xué)特性研究，利用活動(dòng)導(dǎo)葉本體和對(duì)比試塊測(cè)定材料的可探性、聲速和衰減系數(shù)等聲學(xué)特性和計(jì)算方法，模擬試塊測(cè)試以及對(duì)缺陷的判別及當(dāng)量和長(zhǎng)度的測(cè)量方法，對(duì)于大型水電機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉及類似砂型鑄造件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。