汽輪機(jī)葉片與葉根槽陣列渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

郭德瑞

（中國(guó)大唐集體科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040）

汽輪機(jī)動(dòng)葉片和樅樹(shù)型葉根槽在運(yùn)行過(guò)程中受離心力和激振力的作用，在葉片表面和葉根槽變截面處易產(chǎn)生極大的應(yīng)力，常會(huì)發(fā)生葉片斷裂或葉根槽開(kāi)裂情況。通過(guò)對(duì)葉片和葉根槽的相關(guān)部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可以有效地發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成形的宏觀缺陷和微觀缺陷，確保機(jī)組的安全運(yùn)行。目前針對(duì)葉片和葉根槽的無(wú)損檢測(cè)方法主要有常規(guī)渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)。常規(guī)點(diǎn)式渦流探頭檢測(cè)靈敏度與缺陷走向有關(guān)，如果缺陷方向與渦流的方向一致就難以檢測(cè)到，在葉片的檢測(cè)中可靠性較差；而磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)兩種方法在此類(lèi)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中都存在一定的局限性，如檢測(cè)速度慢，效率低； 檢測(cè)液有殘留，易污染工件，對(duì)人體有害；葉片內(nèi)弧靠近根部位置（圖1）和葉根槽變截面處（圖2）難以觀察到，易造成漏檢等。

圖1 汽輪機(jī)葉片

圖2 樅樹(shù)型葉根槽

陣列渦流檢測(cè)技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一種更加高效的渦流檢測(cè)技術(shù)，相比于常規(guī)渦流檢測(cè)，采用陣列技術(shù)檢測(cè)時(shí)，陣列傳感器可以得到更多有關(guān)缺陷的信息，靈敏度更高，檢測(cè)速度更快，而且也不使用任何藥液，具有干凈環(huán)保等多種優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，例如對(duì)飛機(jī)渦輪葉片的檢驗(yàn)等。同時(shí)，陣列渦流技術(shù)也適用于發(fā)電廠(chǎng)汽輪機(jī)葉片和葉根槽的缺陷檢測(cè)，檢測(cè)速度快，檢測(cè)無(wú)殘留，不需做后續(xù)處理，具有良好的優(yōu)越性和實(shí)用性。

1 陣列渦流技術(shù)原理及應(yīng)用

1.1 陣列渦流技術(shù)原理

渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線(xiàn)圈靠近被檢導(dǎo)體時(shí)，由于線(xiàn)圈磁場(chǎng)的作用，試件中會(huì)感生出渦流。同時(shí)該渦流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，渦流磁場(chǎng)會(huì)影響線(xiàn)圈磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)線(xiàn)圈電壓和阻抗的變化。導(dǎo)體表面或近表面的缺陷會(huì)影響渦流的強(qiáng)度和分布，引起檢測(cè)線(xiàn)圈電壓和阻抗的變化，根據(jù)這一變化，可以推知導(dǎo)體中缺陷的存在。根據(jù)信號(hào)的幅值及相位，對(duì)缺陷進(jìn)行判斷，是一種快速、簡(jiǎn)便可靠的檢測(cè)技術(shù)，可用于檢測(cè)導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷。但使用常規(guī)渦流技術(shù)對(duì)檢測(cè)面積較大或者檢測(cè)面形狀較復(fù)雜的被檢部件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，操作工作量比較大，且常用的筆式探頭在移動(dòng)方向與缺陷方向具有一定取向性，容易產(chǎn)生漏檢。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子掃描技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，陣列渦流檢測(cè)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。該技術(shù)采用陣列式渦流檢測(cè)線(xiàn)圈，并借助計(jì)算機(jī)化的渦流儀器強(qiáng)大的分析、計(jì)算及處理功能，設(shè)定陣列線(xiàn)圈之間的響應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信號(hào)激發(fā)與采集（圖3），通過(guò)使用多路技術(shù)采集數(shù)據(jù)，避免了不同線(xiàn)圈之間的互感，忽略互感影響的陣列渦流在檢測(cè)中對(duì)缺陷特征進(jìn)行提取、分類(lèi)識(shí)別和成像。陣列渦流探頭在長(zhǎng)度方向上相對(duì)尺寸較大，一次檢測(cè)覆蓋面積大，檢測(cè)效率高；同時(shí)陣列式渦流探頭對(duì)渦流信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間極短，只需激勵(lì)信號(hào)的幾個(gè)周期，在高頻時(shí)主要由信號(hào)處理系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間決定，各線(xiàn)圈單元通過(guò)電子方式快速自動(dòng)切換，檢測(cè)掃查速度快；通過(guò)設(shè)定不同線(xiàn)圈在陣列各方向的相互組合與匹配，達(dá)到一次掃查可以檢出各方向缺陷的目的，缺陷檢出率高。

1.2 陣列渦流技術(shù)的特點(diǎn)

圖3 陣列渦流傳感器線(xiàn)圈之間的切換

陣列渦流技術(shù)相比較于其他檢測(cè)方式具有以下特點(diǎn)：①能夠?qū)Ρ粰z工件被檢面進(jìn)行大面積的高速掃描檢測(cè)，陣列探頭的一次檢測(cè)過(guò)程相當(dāng)于傳統(tǒng)單個(gè)渦流探頭對(duì)被檢測(cè)部件的往返步進(jìn)掃描的過(guò)程；②對(duì)被測(cè)工件表面(含近表面)有與傳統(tǒng)渦流檢測(cè)同樣的測(cè)量精度和分辨率，對(duì)不同方向、不同深度的缺陷都有良好的檢測(cè)效果，不存在因缺陷方向?qū)е碌穆z問(wèn)題；③能用于檢測(cè)多種結(jié)構(gòu)形狀的檢測(cè)面，如各種異型管、棒材、板材、輪轂、葉片等部件；④能變換線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)類(lèi)型以形成特殊的陣列能力?？梢圆捎枚囝l和混頻的方法，調(diào)節(jié)靈敏度，改變滲透深度，抑制干擾，提高信噪比；⑤檢測(cè)時(shí)可采用C掃描顯示方式，圖像更加清晰、直觀，同時(shí)也可選取信號(hào)的阻抗平面和時(shí)基掃描顯示。

1.3 陣列渦流技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用

（1）焊縫檢測(cè)。焊縫檢測(cè)一直作為渦流檢測(cè)的難點(diǎn)，采用傳統(tǒng)探頭檢測(cè)對(duì)鐵磁性材料的磁導(dǎo)率極其敏感，焊縫表面高低不平和熱影響區(qū)變化會(huì)造成嚴(yán)重的干擾信號(hào)，無(wú)法進(jìn)行可靠檢測(cè)。而采用陣列渦流檢測(cè)時(shí)，陣列渦流能采集焊縫區(qū)域的相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)，信號(hào)清晰穩(wěn)定，利用計(jì)算機(jī)歸一化處理，從圖像中可以看出焊縫表面存在的微小裂紋。

（2）金屬板材檢測(cè)。許多重要結(jié)構(gòu)的金屬板材需要進(jìn)行100%渦流檢測(cè)，常規(guī)的渦流檢測(cè)需要配備自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)備昂貴，并且耗時(shí)長(zhǎng)。而使用陣列渦流檢測(cè)，僅需要配備簡(jiǎn)單的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置或者手動(dòng)操作即可完成檢驗(yàn)工作，因此工作效率有了大幅度提高。相比傳統(tǒng)表面檢測(cè)（如磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)），陣列渦流檢測(cè)費(fèi)用和時(shí)間更為節(jié)省，檢測(cè)效果更為優(yōu)越，并且無(wú)污染。

（3）管、棒、條型金屬材料的檢測(cè)。在使用傳統(tǒng)渦流技術(shù)對(duì)管材、棒材等金屬材料進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)受到被檢材料的直徑大小、斷面形狀的限制，以及對(duì)縱向長(zhǎng)裂紋和非相切方向的小缺陷容易造成漏檢。而陣列渦流檢測(cè)此類(lèi)材料沒(méi)有這些方面的局限性，也無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置，掃查速度快、噪聲小、同時(shí)擁有更高的靈敏度。

特殊結(jié)構(gòu)金屬材料的檢測(cè)。采用陣列渦流檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)特殊結(jié)構(gòu)金屬材料進(jìn)行檢測(cè)，例如對(duì)飛機(jī)輪轂的檢測(cè)，因?yàn)轱w機(jī)輪轂形狀的不規(guī)則，使用傳統(tǒng)渦流檢測(cè)需要配置多種探頭，而且手動(dòng)操作時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)可靠性不足。而采用陣列渦流技術(shù)，使用柔性探頭進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)需更換探頭，與工件表面耦合更良好，大大降低提離效應(yīng)的影響，既省時(shí)又可靠。本文重點(diǎn)討論發(fā)電廠(chǎng)汽輪機(jī)葉片與葉根槽陣列渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

2 汽輪機(jī)葉片和葉根槽陣列渦流檢測(cè)

2.1 儀器

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和檢測(cè)要求，本次檢測(cè)選用SMART－5097陣列渦流探傷儀，該儀器支持32通道陣列傳感器，可以滿(mǎn)足產(chǎn)品檢驗(yàn)的需要。

2.2 探頭

根據(jù)陣列渦流探頭的特點(diǎn)和汽輪機(jī)葉片、葉根槽的結(jié)構(gòu)特性可以看出，對(duì)于面積較大工件的檢測(cè)，除了需要滿(mǎn)足檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)速度以及缺陷定位精度等要求外，還需要考慮被檢測(cè)工件的幾何形狀、曲面變化、測(cè)量空間等客觀條件。因此本次檢測(cè)選擇柔性32通道陣列探頭對(duì)汽輪機(jī)葉片的進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)外表面進(jìn)行檢測(cè)（圖4），柔性探頭線(xiàn)圈陣列能夠分布在很大的面積范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一次性對(duì)葉片大面積的檢測(cè)，而且柔性探頭可以更好的與葉片表面貼合，保證探頭線(xiàn)圈產(chǎn)生的渦流場(chǎng)與葉片耦合良好，減小了提離效應(yīng)的影響。葉片邊緣使用彈性?shī)A持探頭進(jìn)行檢測(cè)（圖5），彈性?shī)A持探頭可以隨葉片邊緣的薄厚變化提供良好的彈性接觸。葉根槽檢測(cè)是根據(jù)槽的尺寸形狀將線(xiàn)圈植入到仿形結(jié)構(gòu)中，定制專(zhuān)用的仿形檢測(cè)探頭（圖6）。仿形探頭中線(xiàn)圈隨著探頭結(jié)構(gòu)的外形平行布置，保證在各變截面處能達(dá)到相應(yīng)的檢測(cè)效果，根據(jù)支持的通道數(shù)可將線(xiàn)圈布置在單側(cè)或雙側(cè)。通過(guò)一次或兩次的掃查，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉根槽兩個(gè)側(cè)面的完整檢測(cè)。

圖4 陣列柔性探頭

圖5 葉片邊緣檢測(cè)探頭

圖6 葉根槽檢測(cè)仿形探頭

2.3 對(duì)比試塊

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片多由鐵素體或馬氏體不銹鋼制作而成，選擇一種與被檢葉片材質(zhì)，熱處理工藝一致的葉片制作成對(duì)比試塊，在葉片的葉片尖端、根部、進(jìn)汽側(cè)邊緣、出汽側(cè)邊緣各加工3個(gè)電火花槽，方向分別為45°、90°和180°。尺寸(長(zhǎng)×寬×深）分別為尖端槽10mm×0.1mm×0.2mm、10mm×0.1mm×0.5mm、5mm×0.1mm×1mm； 根 部槽 5mm×0.12mm×0.2mm、5mm×0.12mm×0.5mm、5mm×0.12mm×1mm；進(jìn)汽側(cè)邊緣槽5mm×0.12mm×0.2mm、5mm×0.12mm×0.5mm、3mm×0.12mm×1mm；出汽側(cè)邊緣槽5mm×0.1mm×0.2mm、5mm×0.1mm×0.5mm、3mm×0.1mm×1mm（圖 7）。

葉根槽對(duì)比試塊制作選用與葉根槽結(jié)構(gòu)一致的模擬體，并在特征位置處分別加工尺寸(長(zhǎng)×寬×深）為 5mm×0.1mm×0.2mm、5mm×0.1mm×0.5mm、3mm×0.1mm×1mm電火花槽。

圖7 葉片對(duì)比試樣

2.4 檢測(cè)設(shè)置

陣列渦流的主，副頻率可獨(dú)立調(diào)節(jié)，又存在相互匹配問(wèn)題，檢測(cè)時(shí)要保證被檢區(qū)域內(nèi)渦流的流動(dòng)，缺陷信號(hào)與其他信號(hào)之間也要有足夠的相位差以便于判別，因此頻率選擇比較復(fù)雜，且需考慮以下幾個(gè)因素。

（1）靈敏度的要求。檢測(cè)頻率的高低會(huì)直接影響線(xiàn)圈與試件間的耦合。頻率低，則耦合效率低，小缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。

（2）阻抗及相位變化量。阻抗幅值變化量的大小與頻率比?/?ɡ(?ɡ為特征頻率）有關(guān)，表面裂紋深度的變化引起的阻抗變化與?/?ɡ之間存在一定的關(guān)系，不同深度的裂紋，阻抗或有效磁導(dǎo)率變化量最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的?/?ɡ不同。一般當(dāng)?/?ɡ取較小值時(shí)相位變化量較大。我們根據(jù)被檢工件的特點(diǎn)和易產(chǎn)生缺陷特性來(lái)確定頻率比?/?ɡ的最佳值，就可以獲得大的線(xiàn)圈阻抗變化量和相位變化量，提高檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)效率。

（3）干擾信號(hào)。渦流檢測(cè)時(shí)，較強(qiáng)的干擾信號(hào)會(huì)與缺陷信號(hào)混合在一起，難以區(qū)分。陣列渦流檢測(cè)技術(shù)可用矢量疊加來(lái)去除干擾信號(hào)的影響，因?yàn)樘筋^對(duì)干擾信號(hào)和缺陷信號(hào)的反應(yīng)是獨(dú)立的，兩者共同作用的反應(yīng)為單獨(dú)作用時(shí)的矢量疊加，利用這一特點(diǎn)，可以通過(guò)改變檢測(cè)頻率來(lái)改變渦流在被檢工件中的大小和分布，使同一缺陷或者干擾信號(hào)在不同頻率下對(duì)渦流產(chǎn)生不同的反應(yīng)，通過(guò)矢量運(yùn)算，抵消干擾信號(hào)的影響，只保留缺陷信號(hào)。

考慮到上述幾點(diǎn)因素，結(jié)合被檢產(chǎn)品的材質(zhì)和所選用的陣列探頭進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，平衡相位差、探頭掃查速度、檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)深度之間的關(guān)系，設(shè)定激勵(lì)頻率為500kHz；濾波參數(shù)高通1.0，低通65.0；檢測(cè)靈敏度校準(zhǔn)時(shí)，探頭以20mm/s檢測(cè)速度掃過(guò)不同的電火花槽，根據(jù)信號(hào)幅值情況，將0.2mm深電火花槽信號(hào)幅度調(diào)整到滿(mǎn)屏的50%，將此靈敏度作為檢測(cè)基準(zhǔn)靈敏度。

圖8為在葉片試樣上掃查電火花槽時(shí)的數(shù)據(jù)圖，通過(guò)數(shù)據(jù)的C掃描10及幅度圖顯示，可以直觀的識(shí)別出缺陷，并且可以初步判斷出缺陷尺寸。

圖8 模擬試樣檢測(cè)圖

因?yàn)閷?duì)比試塊上的模擬缺陷深寬比很小，而實(shí)際的同深度的疲勞裂紋其深寬比通常比模擬缺陷大得多，因此對(duì)疲勞裂紋會(huì)有更高的信噪比。而且陣列渦流探頭多頻和混頻的應(yīng)用，再配置不同的場(chǎng)強(qiáng)、增益和相位，可以兼顧檢測(cè)靈敏度和有效檢測(cè)深度，滿(mǎn)足不同深度、不同形狀缺陷的檢出率。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在某電廠(chǎng)檢修期間，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片進(jìn)行了陣列渦流檢測(cè)（圖9）。在實(shí)際運(yùn)行工況條件下，汽輪機(jī)葉片工作過(guò)程中所產(chǎn)生的疲勞裂紋都在應(yīng)力集中部位，一般來(lái)說(shuō)疲勞裂紋易出現(xiàn)在出汽側(cè)薄邊、葉片尖端和拉筋孔邊緣，葉根應(yīng)力集中部位也可能出現(xiàn)，因此我們對(duì)以上部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。

葉片檢測(cè)前對(duì)葉片表面預(yù)清理，避免油污等表面不良狀況影響檢測(cè)效果。在調(diào)校好儀器基準(zhǔn)靈敏度后，將探頭與檢測(cè)面貼合并沿著檢測(cè)面做勻速移動(dòng)，檢測(cè)速度在可控范圍內(nèi)，從葉片尾端至前端，完成一次掃查，同一葉片上的兩次掃查覆蓋的區(qū)域有15%的重疊，以保證對(duì)檢測(cè)面的檢測(cè)覆蓋率達(dá)到100%。

檢測(cè)過(guò)程中，葉片出汽側(cè)薄邊沖痕及葉片補(bǔ)焊位置的凹痕都有很好的幅值響應(yīng)及相位變化響應(yīng)，葉片表面腐蝕坑、葉片表面曲率變化引起的噪聲以及探頭接觸不良和晃動(dòng)引起的噪聲提高等因素并未對(duì)渦流信號(hào)造成較大干擾。

在葉根槽的檢測(cè)中，將仿形探頭從葉根槽一側(cè)插入，勻速移動(dòng)至另一側(cè)即完成一次掃查。樅樹(shù)型葉根槽由于結(jié)構(gòu)原因，受力部位相對(duì)比較復(fù)雜，葉根槽的截面隨著齒根位置向下逐漸變大，根據(jù)樅樹(shù)型葉根受力分析和葉根槽結(jié)構(gòu)型式，通常在第一或者第二齒根槽內(nèi)表面應(yīng)力達(dá)到最大值，而這里恰恰是葉根槽截面積相對(duì)較小處。而常見(jiàn)的缺陷多是在變截面位置的軸向開(kāi)裂，因此危害性很大?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)葉根槽的陣列渦流檢測(cè)具有非常好的實(shí)用性，仿形探頭可以與葉根槽表面的狹小空間結(jié)構(gòu)相匹配，避免出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，而且操作簡(jiǎn)便，速度快，檢驗(yàn)效果良好。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)葉片檢測(cè)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使用陣列渦流檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)葉片葉身部位和樅樹(shù)型葉根槽部位的100%檢測(cè)，檢測(cè)信噪比高，檢測(cè)速度快，可有效縮短檢驗(yàn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，檢測(cè)過(guò)程無(wú)任何殘留，無(wú)污染，不會(huì)對(duì)葉片和葉根槽造成損傷，對(duì)環(huán)境和光線(xiàn)無(wú)特殊要求，適應(yīng)性好。相比與其他無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)汽輪機(jī)葉片和葉根槽的檢測(cè)，陣列渦流檢測(cè)技術(shù)在滿(mǎn)足檢測(cè)靈敏度的情況下，具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比其他無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，可以看出陣列渦流檢測(cè)技術(shù)在汽輪機(jī)葉片和葉根槽檢測(cè)中的突出優(yōu)勢(shì)：第一，陣列渦流檢測(cè)技術(shù)在葉片和葉根槽的檢測(cè)中檢測(cè)靈敏度高，可靠性好，可檢測(cè)出0.2mm深的各方向的表面缺陷。第二，根據(jù)葉片和葉根槽的結(jié)構(gòu)特性制作相應(yīng)的探頭，操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)效率高，一次掃查即可檢測(cè)探頭覆蓋區(qū)域下的整個(gè)區(qū)域。第三，信號(hào)通過(guò)屏幕顯示，對(duì)光線(xiàn)等外界因素?zé)o特殊要求，安全環(huán)保；不使用任何藥液，無(wú)環(huán)境污染，對(duì)工件無(wú)任何影響，對(duì)人體無(wú)害。第四，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)速度快，節(jié)省人力物力，對(duì)在役設(shè)備的檢測(cè)能達(dá)到非常良好的效果。

陣列渦流檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)高級(jí)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并且取得了非常良好的應(yīng)用效果，在對(duì)汽輪機(jī)部件等電廠(chǎng)設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)中也具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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