汽輪機低壓轉(zhuǎn)子——葉根超聲波探傷技術(shù)

劉長青， 劉鈞

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

汽輪機低壓轉(zhuǎn)子的特點是安裝著多級長葉片，其末級可包括多達(dá)120枚長度為1m、重量超過15kg的葉片。當(dāng)機組在3000r/min下滿負(fù)荷運行時，低壓轉(zhuǎn)子的末級葉片要承受高達(dá)幾噸的離心力和扭矩的作用。葉片固定在轉(zhuǎn)子上的最普遍方法就是弧形樅樹型葉根（CAEFTR），這是既能保證高效葉型動力學(xué)特性，又能克服機械作用力的理想形狀。CAEFTR極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋、高周疲勞裂紋或低周高應(yīng)變疲勞等故障。如果這些葉片在運行期間出現(xiàn)故障并從轉(zhuǎn)子上斷裂飛脫，就會使轉(zhuǎn)子造成災(zāi)難性的事故，可能會導(dǎo)致爆裂，帶來產(chǎn)生人身事故和附帶損傷的風(fēng)險。

在本文中，概括介紹了一些為克服檢查此類復(fù)雜部件難點而新研發(fā)的探傷技術(shù)，闡明了提高CAEFTR檢查覆蓋率的創(chuàng)新措施，證明通過聯(lián)合應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)、仿真軟件和新穎的檢查設(shè)計，提高了對多種類型轉(zhuǎn)子的檢查覆蓋率。

2 弧形樅樹型葉根（CAEFTR）

2.1 薄弱區(qū)

應(yīng)力腐蝕裂紋已成為CAEFTR的最常見的缺陷，其主要因素是環(huán)境條件或水的化學(xué)性能欠佳。然而，也有一此疲勞裂紋的實例，由于它們具有快速擴展的趨勢，產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果，甚至可能導(dǎo)致葉片斷裂飛脫轉(zhuǎn)子。有限元分析表明：葉根的頂部咬合齒是應(yīng)力最集中的區(qū)域，也是最可能出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致整枚葉片飛脫轉(zhuǎn)子的區(qū)域。然而，在某些情況下，有限元分析也表明葉根第二個咬合齒以下是應(yīng)力最集中的區(qū)域。

2.2 可用的掃查（探頭放置）位置

由于CAEFTR的結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的幾何形狀，進(jìn)行超聲波檢查時的可用掃查位置有限，不同的葉片結(jié)構(gòu)就有不同的掃查位置：有些葉片具有寬闊的中間體凸臺可用于掃查，而有些葉片就幾乎沒有中間體凸臺。然而，對所有葉片來說，葉身（葉片工作部分）是共有的，可以作為主掃查面，覆蓋大部分檢查范圍。

2.3 相控陣超聲波檢查（PAUT）

通過葉身、中間體凸臺和葉根端面仔細(xì)操縱超聲波傳感器（探頭），就可以實現(xiàn)軸向掃查覆蓋葉根。為了以最有效的綜合方式掃查關(guān)鍵檢查區(qū)域，采用了相控陣超聲波探傷技術(shù)（PAUT）。為了充分利用PAUTR能力優(yōu)勢，需要以積極重復(fù)的方式將傳感器非常精確地定位在確定的、可重復(fù)的待檢表面上。這是所面臨的最大挑戰(zhàn)，因為對現(xiàn)場的汽輪機面言，只能接近葉片出汽側(cè)的葉根。

3 掃查的輔助設(shè)施和特定的檢查方案

為了增大轉(zhuǎn)子CAEFTR缺陷的檢查覆蓋范圍和探傷靈敏度、并降低相關(guān)的開發(fā)時間和成本，制定了一些檢查方案，其中有些是獨特的方案。

3.1 探頭夾具和掃查組件

由于很難在現(xiàn)場接近有限的待檢表面，因而開發(fā)了特制的楔塊，用以放置在汽輪機葉片上非常有限的平整位置，提供適當(dāng)?shù)某暡ㄕ凵?；這種楔塊還有一個輔助的、但又是至關(guān)重要的功能，就是適應(yīng)葉片表面的幾何形狀，起到定位作用。

3.2 利用葉身對葉根的機械化掃查

利用葉身從相對葉根齒的方向CAEFTR葉根的探傷，可以覆蓋大部分區(qū)域。但是，利用葉身進(jìn)行掃查時受到級間開檔的限制，要手動操縱PAUT傳感器相當(dāng)困難；而且還必須使聲束或傳感器斜移以補償葉身與葉根幾何形狀的失配，這樣才能優(yōu)化葉根齒的幾何反射，使探傷缺陷的靈敏度最大化。

3.3 固定式持續(xù)掃查楔塊

利用葉身進(jìn)行葉根掃查的技術(shù)，以提高PAUT傳感器的掃查覆蓋率、靈敏性和耦合性。

4 結(jié)語

通過機械化掃查框架和楔塊的創(chuàng)新設(shè)計，大大增大了對CAEFTR待檢區(qū)的覆蓋范圍。采用先進(jìn)仿真軟件工具，結(jié)合建模能力以及快速原型設(shè)計技術(shù)，促進(jìn)了定制探頭夾具的生產(chǎn)；能使PAUT傳感器實現(xiàn)過程定位，掃查最關(guān)鍵的葉根區(qū)域，并大幅提高了覆蓋范圍。

采用斜移PAUT傳感器等創(chuàng)新技術(shù)的定制掃查框架，可以探傷級間開檔很小的轉(zhuǎn)子。而進(jìn)一步創(chuàng)新開發(fā)的柔性掃查框架，還可以對新結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場探傷，并且造價比固定式框架更低，供貨周期更短。

如本文所述，持續(xù)掃查楔塊的應(yīng)用，不再需要在沿葉身對葉根進(jìn)行掃查時斜移PAUT傳感器；此外，還能使它與掃查表面的耦合達(dá)到理想化，有助于實現(xiàn)單一行掃查，提高對以往無法探傷區(qū)微小缺陷的靈敏度，不需要對2D陣列探頭進(jìn)行改造，但仍能保持現(xiàn)有的技術(shù)和便攜性。

汽輪機現(xiàn)場探傷在降低維修成本和停機時間方面起到關(guān)鍵作用，并提高了早期檢出缺陷的能力。與傳統(tǒng)的探傷方法相比，本文所述的一些解決措施提供了更先進(jìn)的CAEFTR檢測能力，不但增大了掃查覆蓋率，而且為電站管理大幅降低了檢查成本。