高壓轉(zhuǎn)子樅樹型葉輪超聲波相控陣檢測技術(shù)的應用

鄭子昂，汪 植

（1.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300）

1 試驗背景

汽輪發(fā)電機是核電站常規(guī)島最重要的設(shè)備，汽輪機轉(zhuǎn)子由于長期處于高速運轉(zhuǎn)中，受力情況復雜，斷裂事故較易發(fā)生，且事故后果嚴重。采用傳統(tǒng)無損檢測方法進行汽輪機轉(zhuǎn)子葉根和葉輪鍵槽的檢測時，一般須將汽輪機轉(zhuǎn)子吊出并將葉片從汽機轉(zhuǎn)子葉輪中拆卸出來，不僅造成大修工期的延長，還有可能由于拆葉片造成轉(zhuǎn)子葉輪槽的損傷，給設(shè)備帶來隱患。采用汽輪機葉輪相控陣超聲波檢查可以在不拆卸的情況下，對葉輪進行準確有效的檢測，不僅縮短了大修工期，還能避免拆葉片對設(shè)備造成損傷。

20世紀末，國外的一些檢測公司就著手將相控陣超聲波檢測技術(shù)應用于電廠汽輪機轉(zhuǎn)子的檢測中。1999年美國亞利桑那公共事業(yè)公司和Aliano能源公司在秋季電力大修期間成功地在商用領(lǐng)域上將相控陣超聲波檢測技術(shù)運用到了汽輪機轉(zhuǎn)子葉輪鍵槽的無損檢測上。這次成功的應用實施是由美國電力研究學會（EPRI）推廣支持的，EPRI并在其后展開了相應的能力驗證活動。而目前國內(nèi)的無損檢測技術(shù)機構(gòu)在這一領(lǐng)域的技術(shù)應用仍相對較少，筆者將介紹一個將超聲波相控陣檢測應用到國內(nèi)某核電機組汽輪機轉(zhuǎn)子樅樹型葉輪檢測的成功案例。

2 樅樹型葉輪失效分析簡述

國內(nèi)外已經(jīng)有部分機構(gòu)對于在役使用的樅樹型葉輪進行過相應的有限元的應力分析。葉輪上應力主要集中于與葉根配合的齒槽內(nèi)圓弧上，且最接近葉根側(cè)的第一級齒槽應力最集中，亦最易產(chǎn)生應力腐蝕裂紋［1］。根據(jù)理論研究和現(xiàn)場實際反饋情況，樅樹型葉輪的應力腐蝕裂紋通常萌生于葉輪與葉根配合齒槽的圓弧上，隨后在汽輪機運行時的靜應力和交變應力作用下沿葉輪的切向方向生長。

3 試驗設(shè)計

3.1 試塊設(shè)計

根據(jù)樅樹型葉輪的應力分析基礎(chǔ)，設(shè)計了與某廠高壓轉(zhuǎn)子尺寸等比例的樅樹型葉輪驗證試塊。驗證試塊設(shè)計規(guī)格為160mm×100mm×100mm，葉輪齒槽結(jié)構(gòu)和材料與某廠檢測的葉輪相同。根據(jù)樅樹型葉輪的失效分析結(jié)果，在相應的應力集中位置設(shè)計了相應的缺陷，如表1所示，切槽傾角如圖1所示。

表1 高壓轉(zhuǎn)子樅樹型葉輪對比試塊電火花切槽設(shè)計參數(shù)

3.2 檢測系統(tǒng)及掃查方式

圖1 驗證試塊切槽示意圖

掃查系統(tǒng)采用的是AGR公司生產(chǎn)的TD Handy－Scan超聲波相控陣檢測系統(tǒng)，配備相應的編碼器進行位置信息的記錄。為覆蓋全部齒輪并達到較高的缺陷分辨率，相控陣探頭選型為32晶片，陣元中心距為1mm的大尺寸相控陣探頭。試驗采用波型為橫波，0.5°角度間隔的扇形掃查，一次覆蓋驗證試塊上的所有齒槽。掃查時將探頭置于離試塊前端一定的位置，聲束正切缺陷截面，采用雙面線掃方式采集數(shù)據(jù)。掃查示意如圖2所示，聚焦法則的設(shè)置根據(jù)檢測目的而設(shè)計。

圖2 超聲波相控陣掃查樅樹型葉輪示意圖

3.3 信號分析的一般原則

圖3所示的是樅樹型葉輪扇形掃查中的信號顯示。通過對顯示信號的定位，可以清晰分辨出圖3中的齒槽結(jié)構(gòu)信號和葉輪幾何結(jié)構(gòu)的波型轉(zhuǎn)換的非缺陷信號。據(jù)此，試驗中缺陷的檢出即通過與固定的結(jié)構(gòu)信號比較來辨別?，F(xiàn)場檢測中，只關(guān)注失效分析中齒槽的應力集中位置的信號。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 缺陷檢出試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示，所有設(shè)計的電火花槽均能被檢出，且信號顯示均很清晰，包括其中的最小缺陷：3mm長、0.3mm高的電火花槽。超聲波相控陣作為針對樅樹型葉輪的一種檢測方式，其檢出能力的可靠性得到驗證。

4.2 缺陷測長試驗結(jié)果

相控陣超聲波檢測的缺陷長度測量的工藝研究，是通過比對常用的幾種超聲波測長方法的測量結(jié)果，并計算各種測長方法測量結(jié)果的均方根誤差來確定的，這些測長方法包括－6，－12dB相對靈敏度的方法以及絕對靈敏度法。長度測量試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 樅樹型葉輪電火花槽缺陷長度不同方法測量結(jié)果

從圖4所示的結(jié)果來看，三種測長方法的均方根誤差分別為3.4，6.7，11.2mm。相比較而言，－6dB法則的相對靈敏度測長方法測量結(jié)果總體上與設(shè)計結(jié)果更加接近。觀察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，10mm及以上長度的電火花槽使用－6dB法則測量的準確度很高，而10mm以下長度的采用－6dB法長度測量結(jié)果皆約為10mm。這主要受限于檢測采用的相控陣探頭的晶片寬度為10mm，因此長度小于探頭晶片寬度的缺陷，其測量結(jié)果均接近于晶片寬度，于是影響了長度較小缺陷的測長精度。如果刨除10mm以下長度的電火花槽，則采用－6dB法則測長時，10mm及以上長度的電火花槽的測量長度的均方根誤差為0.9mm，這對于超聲波檢測的長度測量而言是一個較高的測量精度。從試驗結(jié)果也可以得出結(jié)論，如果采用晶片寬度更小的相控陣探頭可以提高缺陷長度測量的精度。

4.3 缺陷測高試驗結(jié)果

對于缺陷自身高度的測量一直是超聲波檢測的一個難點，試驗試圖采用缺陷端點信號進行缺陷高度的測量。

觀察葉輪的電火花槽的信號顯示，發(fā)現(xiàn)所有的切槽信號歸納下來有兩種顯示特征：① 對于自身高度矮小的電火花槽，扇掃顯示上只存在端點信號，如圖5（a）所示。對于此類缺陷，可通過量取端點和結(jié)構(gòu)信號之間的距離作為測量自身高度的方法。② 對于具有一定自身高度的電火花槽，扇掃顯示上可以清晰地分辨出缺陷的端點信號以及端角反射信號，如圖5（b）所示。對于此類缺陷的自身高度測量則相對直接，采用量取缺陷的端點信號和端角反射的信號來進行高度測量。

圖5 樅樹型葉輪不同高度的電火花槽扇形掃查顯示

驗證試驗中的缺陷自身高度測量為缺陷垂直方向的深度，并不考慮缺陷的傾角方向生長高度，高度的測量結(jié)果比對如圖6所示。

圖6 樅樹型葉輪電火花槽缺陷高度測量結(jié)果比較

將缺陷高度測量結(jié)果與計入傾角后電火花槽垂直方向的設(shè)計高度進行均方根誤差分析，誤差結(jié)果為0.55mm。從圖6可發(fā)現(xiàn)，對于自身高度不大于1mm的電火花槽，缺陷高度的測量離散性較明顯，測量結(jié)果的均方根誤差偏大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，一方面是系統(tǒng)對小缺陷的分辨力受限于相控陣儀器的角度步進值和探頭頻率；另一方面則是小缺陷并不能良好形成端點信號，信號幅值偏低。相比較而言，具有一定高度的電火花槽測量偏差較小。從試驗結(jié)果中剔除設(shè)計高度為0.5mm的電火花槽，則缺陷高度測量均方根誤差變小為0.30mm。因此，從測高試驗結(jié)果來看，采用缺陷端點和端角反射信號進行高度測量具有較好的準確性。

5 現(xiàn)場應用

為了完成現(xiàn)場的實際應用，技術(shù)人員設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集裝置，該采集裝置具有一根可收縮的手臂和可三個維度調(diào)節(jié)的探頭架，裝置利用葉輪自身轉(zhuǎn)動被動采集數(shù)據(jù)，提高了檢測效率和檢測重復性。該采集裝置已在某廠的某次大修應用，現(xiàn)場檢測實施照片見圖7。

6 結(jié)語

以樅樹型葉輪的失效分析為基礎(chǔ)，設(shè)計了含有電火花槽的樅樹型葉輪對比驗證試塊，電火花槽的分布位置符合應力腐蝕裂紋的生長特征。對葉輪進行超聲相控陣檢測技術(shù)試驗，結(jié)果顯示，使用超聲波相控陣檢測技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)檢測覆蓋范圍不足的局限性，并且具有能夠檢出3mm長，0.3mm高的電火花槽的能力。對于長度測量，試驗結(jié)果表明－6dB相對靈敏度法具有較高的長度測量精度。對于高度測量，針對不同高度尺寸的缺陷分別確定了相應的測高方法。所以，相控陣超聲波檢測技術(shù)對于樅樹型葉輪的檢測具有良好適用性，其不僅解決了原有技術(shù)的局限性并提高了檢測的效率、可靠性和準確性。

圖7 葉輪超聲波相控陣數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場應用照片

［1］ SEUNGHAN Y，BYUNGSIK Y，YONGSIK K.U－sing phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount－type low－pressure turbine disc［J］.NDT ＆ E International，2009，42（2）：128－132.