燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室用陶瓷瓦塊的定量無(wú)損檢測(cè)方法研究

馮志源 王晗 宋艷艷 范沐旭 張濤 武剛

中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司先進(jìn)耐火材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng)471039

燃燒室是整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)所有部件中運(yùn)行溫度最高的部件之一，工作環(huán)境極其惡劣。作為當(dāng)前世界三大燃?xì)廨啓C(jī)制造商之一，西門子的E級(jí)和F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)形燃燒室都采用了陶瓷隔熱瓦塊來(lái)保護(hù)金屬殼體［1-2］。在使用過(guò)程中，陶瓷瓦塊不僅要承受長(zhǎng)時(shí)間的高溫腐蝕，還需要承受巨大的熱應(yīng)力和高溫氣流的沖刷。如果燃燒室眾多陶瓷瓦塊中有一塊因質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)局部剝落，將會(huì)在高速氣流作用下進(jìn)入燃機(jī)透平，造成葉片損傷，導(dǎo)致巨大損失。因此，在陶瓷瓦塊使用前對(duì)其性能進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和定量評(píng)估具有重要意義。

當(dāng)前的無(wú)損檢測(cè)方法有聲頻法和聲速法等［3-5］，一般用于定性分析材料的內(nèi)部缺陷，很少用來(lái)判斷材料性能的優(yōu)劣。在本研究中，首先利用激振法測(cè)試了相同尺寸規(guī)格陶瓷瓦塊的彈性模量（記為E’），再按GB／T 30758—2014制樣檢測(cè)了瓦塊的彈性模量實(shí)側(cè)值（記為E），并對(duì)兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。在對(duì)E’測(cè)試時(shí)，其頻譜圖能夠直接判斷陶瓷瓦塊內(nèi)部是否有缺陷，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)；同時(shí)，基于無(wú)機(jī)材料彈性模量與其力學(xué)性能和抗熱沖擊性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系［6］，通過(guò)該模型推算出的E值能夠定量評(píng)價(jià)陶瓷瓦塊的彈性模量。

1 測(cè)試原理

通過(guò)脈沖激振法測(cè)試彈性模量的原理是［7］：沖擊器敲擊合適幾何形狀的試樣后，測(cè)試試樣的彎曲共振頻率，彈性模量與試樣的固有頻率、試樣尺寸和質(zhì)量有關(guān)，在測(cè)出試樣的固有頻率后即可通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算試樣的彈性模量。試樣的基頻振動(dòng)見(jiàn)圖1［8］，L為試樣棒的長(zhǎng)度，節(jié)點(diǎn)位置（振幅為0處）分別在試樣棒的0．224L和0．776L處。對(duì)于形狀復(fù)雜的試樣，當(dāng)在試樣中心位置施加機(jī)械力作用后，中心位置和試樣的端部為反節(jié)點(diǎn)位置，此處試樣振幅最大，分別為非接觸測(cè)量時(shí)的振動(dòng)激發(fā)點(diǎn)和頻率采集點(diǎn)。

圖1 基頻振動(dòng)波形圖

基于上述原理測(cè)試試樣的彈性模量，圖2［7］示出了測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)。將試樣放置在支撐系統(tǒng)上，支撐點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)處，用沖擊器對(duì)試樣的敲擊位置進(jìn)行敲打，在接收位置采集振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析轉(zhuǎn)換，輸出試樣的共振頻率，計(jì)算其彈性模量。

圖2 測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

2 試驗(yàn)方案

2．1 無(wú)損檢測(cè)

通過(guò)分析整塊陶瓷瓦塊試樣測(cè)試過(guò)程中的頻譜圖變化，判斷試樣的內(nèi)部缺陷。

2．2 定量分析

（1）陶瓷瓦塊試樣共9組，每組3塊。在外弧形面上標(biāo)記0～8共九個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分布見(jiàn)圖3。以8為敲擊位置，在0～7位置接收頻率，每個(gè)位置采集3次，計(jì)算其平均值。比較9組試樣（編號(hào)分別為1?！?＃）各接收點(diǎn)的頻率變化及穩(wěn)定情況，進(jìn)而確定接收位置。再通過(guò)所確定的接收位置來(lái)接收試樣的振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算其彈性模量E’。

圖3 陶瓷瓦彈性模量測(cè)試點(diǎn)分布圖

（2）再將9組陶瓷瓦塊整磚試樣制成160 mm× 40 mm×30 mm的試樣，按GB／T 30758—2014測(cè)試彈性模量實(shí)測(cè)值E。

（3）對(duì)E’和E的值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立二者之間的定量關(guān)系，進(jìn)而以激振法測(cè)試的彈性模量值計(jì)算材料的彈性模量。

3 結(jié)果與分析

3．1 彈性模量與無(wú)損測(cè)試

采用脈沖激振法測(cè)試材料的彈性模量。試樣受機(jī)械沖擊后處于振動(dòng)狀態(tài)，隨著阻尼作用的發(fā)生，試樣振動(dòng)衰減，當(dāng)衰減至某一程度時(shí)試樣發(fā)生共振；但當(dāng)試樣內(nèi)部存在缺陷時(shí)，在試樣受到機(jī)械沖擊后，缺陷部位對(duì)振動(dòng)波的反射導(dǎo)致試樣難以產(chǎn)生共振，此即測(cè)試的基礎(chǔ)原理。如圖4所示，大多數(shù)試樣在敲擊過(guò)程中頻譜圖以主單峰顯示，極少部分試樣的頻譜圖呈多峰狀態(tài)，將頻譜圖呈多峰狀態(tài)的試樣切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋缺陷。因此，在用脈沖激振法測(cè)試整磚的彈性模量時(shí)，可以根據(jù)頻譜圖判斷材料的內(nèi)部缺陷［9］。

圖4 整塊陶瓷瓦塊試樣頻譜圖

3．2 彈性模量與定量分析

不同接收位置的頻率數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1數(shù)據(jù)可知，在敲擊點(diǎn)8激發(fā)試樣振動(dòng)，采集點(diǎn)1和點(diǎn)5的頻率值基本一致，其余接收點(diǎn)的頻率變化較大，可能是由于試樣形狀不規(guī)則所導(dǎo)致；且2、3、4端和0、7、6端存在滑軌凹槽設(shè)計(jì)，造成這些接收點(diǎn)的頻率差異較大。因此，敲擊點(diǎn)為8時(shí)，確定點(diǎn)1和點(diǎn)5為接收振動(dòng)信號(hào)的位置較為合適。

表1 不同接收位置頻率

激振法測(cè)得瓦塊（位置8處敲擊，1、5處接收信號(hào)）的彈性模量E’和按GB／T 30758—2014實(shí)測(cè)的彈性模量E的數(shù)值見(jiàn)表2。表2中E’（位置1的E’與位置5的E’的平均值）和E的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見(jiàn)圖5。

表2 激振法與按標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)測(cè)的彈性模量

圖5 E’與E擬合圖

由表2可知，E’與E的數(shù)值相比，E’整體偏大，相差10%～15%。這可能是由于整磚試樣存在滑軌凹槽，對(duì)試樣的振動(dòng)產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致結(jié)果變化。從E’與E的擬合結(jié)果來(lái)看，二者呈線性相關(guān)，且決定系數(shù)R2高達(dá)0．992。

隨機(jī)挑選相同規(guī)格的陶瓷瓦塊，利用激振法計(jì)算其彈性模量數(shù)值，破壞瓦塊后再按國(guó)標(biāo)檢測(cè)其彈性模量實(shí)測(cè)值。結(jié)果顯示，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差小于5%，表明擬合效果很好，可將其應(yīng)用于陶瓷瓦塊使用前的無(wú)損檢測(cè)。

4 結(jié)論

（1）整磚彈性模量測(cè)試過(guò)程中的頻譜圖可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)陶瓷瓦塊內(nèi)部缺陷的無(wú)損判斷。

（2）在不破壞陶瓷瓦塊結(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)脈沖激振法測(cè)定瓦塊的彈性模量，再依據(jù)擬合公式可計(jì)算陶瓷瓦塊的彈性模量。