聲發(fā)射技術(shù)在水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉裂紋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

佘 斌，何媛媛(國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，由于瞬間的沖擊力、壓力，導(dǎo)葉會(huì)承受很大的應(yīng)力，及鑄造缺陷(如鑄造裂紋、氣孔及夾渣等)擴(kuò)展等造成的應(yīng)力集中，導(dǎo)葉容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)葉出現(xiàn)裂紋后輕則造成水輪機(jī)的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)葉可能出現(xiàn)斷裂脫落，脫落的導(dǎo)葉沖入水輪機(jī)會(huì)造成水輪機(jī)葉片的嚴(yán)重性損壞。

水輪機(jī)導(dǎo)葉主體處在一個(gè)相對(duì)密閉的空間內(nèi)，長(zhǎng)期浸沒在壓力水中，由于這種環(huán)境和空間的限制，目前還沒有一種好的設(shè)備用于水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋的實(shí)時(shí)檢測(cè)，只能間接依靠機(jī)組的振動(dòng)頻譜分析或停機(jī)檢修時(shí)開蓋檢查來完成水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋的檢測(cè)。因此經(jīng)常性的停機(jī)水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋檢測(cè)，不僅嚴(yán)重影響了水電站的正常穩(wěn)定運(yùn)行，更大大降低了電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此，如果運(yùn)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活動(dòng)導(dǎo)葉，發(fā)現(xiàn)裂紋能及時(shí)報(bào)警，將提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免因活動(dòng)導(dǎo)葉裂紋檢測(cè)而停機(jī)。

1 聲發(fā)射技術(shù)理論

聲發(fā)射是指材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。材料中直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的彈性波發(fā)射源即為聲發(fā)射源。而材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。

聲發(fā)射檢測(cè)原理，是從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達(dá)材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)的表面位移，這些探測(cè)器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再被放大、處理和記錄，根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與推斷以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制，從而了解材料內(nèi)部的缺陷情況[1-4]。

2 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法，它可以在結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的機(jī)構(gòu)，缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動(dòng)變化的過程中進(jìn)行檢測(cè)。與常規(guī)無損檢測(cè)相比，有兩個(gè)基本特點(diǎn)。一是對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴(kuò)展過程中能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來自缺陷本身，而非外部，可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息，檢測(cè)靈敏度與分辨力高。

聲發(fā)射技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法；②聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)線性缺陷較為敏感；③聲發(fā)射檢測(cè)在一次試驗(yàn)過程中能夠整體探測(cè)和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)；④可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)；⑤適于其他方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測(cè)，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；⑥對(duì)于在役壓力容器的定期檢驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以縮短檢驗(yàn)的停產(chǎn)時(shí)間或者不需要停產(chǎn)；⑦對(duì)于壓力容器的耐壓試驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力；⑧適于檢測(cè)形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

聲發(fā)射技術(shù)具有以下缺點(diǎn)：①對(duì)數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槁暟l(fā)射特性對(duì)材料甚為敏感，又易受到機(jī)電噪聲的干擾；②聲發(fā)射檢測(cè)，一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序，多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時(shí)，還需要特作準(zhǔn)備；③聲發(fā)射檢測(cè)目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強(qiáng)度，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴于其他無損檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

3 聲發(fā)射技術(shù)在活動(dòng)導(dǎo)葉裂紋監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用原理

在水輪機(jī)導(dǎo)葉的頂端安裝聲發(fā)射傳感器來檢測(cè)導(dǎo)葉產(chǎn)生裂紋時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，同時(shí)由采集主機(jī)將聲發(fā)射信號(hào)變換、處理后發(fā)送給采集分析軟件，由采集分析軟件對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、頻譜分析、小波分析等，對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋給出直觀的報(bào)警信號(hào)。

這種聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用方法利用了聲發(fā)射信號(hào)在金屬材料中的傳輸特性，從活動(dòng)導(dǎo)葉頂部端面附近采集信號(hào)，解決了活動(dòng)導(dǎo)葉由于空間和環(huán)境限制不能直接安裝檢查傳感器的難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 聲發(fā)射裝置在活動(dòng)導(dǎo)葉上裂紋監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

如圖1所示，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)的水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋檢測(cè)裝置，包括聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射采集主機(jī)和中央控制裝置工控機(jī)；聲發(fā)射傳感器安裝在水輪機(jī)的每一個(gè)導(dǎo)6的頂部端面位置；聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射電纜與聲發(fā)射采集主機(jī)連接；所述聲發(fā)射采集主機(jī)通過控制電4與工控機(jī)連接。聲發(fā)射傳感器均安裝在導(dǎo)葉的頂部端面位置。水輪機(jī)導(dǎo)葉上的聲發(fā)射傳感器的安裝位置進(jìn)行打磨拋光處理。聲發(fā)射傳感器采用磁扣安裝。聲發(fā)射傳感器與安裝部位之間涂抹耦合劑。工控機(jī)安裝有報(bào)警裝置。

圖1 應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)的水輪機(jī)導(dǎo)葉裂紋檢測(cè)裝置圖

該技術(shù)已在瀑布溝水電站6號(hào)機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉上應(yīng)用，其安裝檢測(cè)步驟如下。

1)將聲發(fā)射傳感器安裝到導(dǎo)葉的頂部端面，具體步驟為：先對(duì)導(dǎo)葉的頂部端面進(jìn)行打磨拋光處理，然后在導(dǎo)葉的頂部端面和聲發(fā)射傳感上均勻的涂抹耦合劑，最后采用磁扣將聲發(fā)射傳感器固定在導(dǎo)葉的頂部的端面位置。將其余的聲發(fā)射傳感器安裝到水輪機(jī)的其他導(dǎo)葉上。

2)將全部聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射電纜連接到聲發(fā)射采集主機(jī)上。

3)將聲發(fā)射采集主機(jī)通過控制電纜連接到安裝有采集分析軟件的工控機(jī)上。

4)接通電源，聲發(fā)射檢測(cè)裝置開始運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)水輪機(jī)導(dǎo)葉的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)導(dǎo)葉出現(xiàn)裂紋時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

5 結(jié) 語(yǔ)

聲發(fā)射技術(shù)目前已應(yīng)用于多種行業(yè)，但在水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中仍是首次。瀑布溝水電站6號(hào)機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉裂紋監(jiān)測(cè)裝置的安裝及應(yīng)用，對(duì)其他水電站的裂紋在線監(jiān)測(cè)提供了一種新的思路，同時(shí)，對(duì)推動(dòng)聲發(fā)射技術(shù)在水電領(lǐng)域的應(yīng)用也將起到積極的推動(dòng)作用。