張文雍,王 崗,徐 鴻

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠的主要部件,而汽輪機(jī)的葉片則是汽輪機(jī)的命脈,其結(jié)構(gòu)完整性是保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要因素[1]。多年來(lái),已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多葉片損壞的事例,這不僅影響生產(chǎn),還造成其他葉片的碰傷。以往只是側(cè)重于檢測(cè)葉片的裸露工作部位,而忽略了葉片根部(插入在輪緣部位)的檢測(cè)。事實(shí)和理論說(shuō)明,葉片的根部(簡(jiǎn)稱葉根)是受力較大,腐蝕嚴(yán)重,易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕發(fā)生斷裂的部位。

葉根的結(jié)構(gòu)有許多型式[1],如:叉型、T 型和樅樹型等。型式不同,所采用的探傷方法也不同。T型葉根是汽輪機(jī)最常見的一種葉根型式,它埋藏在葉輪槽內(nèi),結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸小。若葉根在拆卸情況下進(jìn)行檢測(cè),會(huì)延長(zhǎng)檢修周期,且拆卸工藝復(fù)雜、成本高。故在不拆卸的情況下采取有效的檢測(cè)方法對(duì)T型葉根進(jìn)行探傷具有很大意義。為了有效準(zhǔn)確地檢測(cè)出危害缺陷,筆者利用超聲波探傷的原理[2],通過有限元應(yīng)力分析,利用設(shè)計(jì)的縱波微型斜探頭,對(duì)T型葉根超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行了探討研究。

1 應(yīng)力分析

為了確定葉根的最危險(xiǎn)截面,便于重點(diǎn)檢測(cè),利用大型商用有限元分析軟件ANSYS,對(duì)T 型葉根的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行模擬。

1.1 模型的建立和網(wǎng)格劃分

選取T 型葉根,根據(jù)實(shí)際尺寸建立二維幾何模型,通過定義單元類型、材料屬性和網(wǎng)格劃分等得到有限元實(shí)體模型[3]。為了更好地分析敏感部位的應(yīng)力分布情況,對(duì)預(yù)期的應(yīng)力集中部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,如圖1 所示。

圖1 T 型葉根模型的網(wǎng)格

1.2 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

在建立的模型的基礎(chǔ)上施加載荷和約束條件,運(yùn)行計(jì)算得到的T 型葉根應(yīng)力分布如圖2 所示。

圖2 應(yīng)力分布圖

從現(xiàn)實(shí)情況考慮,葉根處產(chǎn)生裂紋的原因主要表現(xiàn)在:受切向或徑向應(yīng)力;葉根的加工精度不高;濕度過大,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕;鉚接時(shí)過緊或過松,從而產(chǎn)生交變應(yīng)力[4]。

由于以上原因,應(yīng)力主要集中在葉根頸部和葉根底部交叉處, 即如圖2 所示的F1,F2,F3和F4處。因此,在對(duì)T 型葉根進(jìn)行超聲波探傷時(shí),F1,F2,F3和F4處應(yīng)是重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

2 縱波檢測(cè)方案的提出

2.1 縱波檢測(cè)的可行性

T 型葉根深藏在葉輪內(nèi),只能從外露部分尋找探傷面,且可探傷面狹小,探頭能掃查的范圍受到限制,而且葉片間隙狹窄,探頭放置困難。另外,葉片葉根尺寸小、形狀復(fù)雜,超聲波探傷時(shí)固有反射波和變形波多,嚴(yán)重影響了對(duì)缺陷回波的判斷。

以往對(duì)于T 型葉根的檢測(cè),采用微型縱波探頭[5-6]探傷,如圖3 所示,這對(duì)平直探測(cè)面的探傷是可行的。但大多數(shù)葉根探傷面為凹型弧面,同樣存在探測(cè)面與探頭的耦合問題。因此,根據(jù)以上葉根結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn),通過研究發(fā)現(xiàn),采用縱波微型斜探頭在葉身的背弧面進(jìn)行探傷是可行有效的。

圖3 微型縱波探頭探傷

2.2 探頭、儀器和試塊的選擇

2.2.1 縱波微型斜探頭的選擇

在實(shí)際應(yīng)用中,導(dǎo)波探頭的設(shè)計(jì)取決于以下幾個(gè)方面[7]:①管中導(dǎo)波的頻散曲線。 ②待檢驗(yàn)管件的規(guī)格(包括外徑、壁厚等)與聲學(xué)特性。 ③檢測(cè)靈敏度。 ④管件中缺陷的性質(zhì)(原始制造缺陷還是服役期間可能產(chǎn)生的缺陷)。 ⑤檢測(cè)環(huán)境(包括溫度、表面狀態(tài)等)。

根據(jù)葉根結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)以及以上要求,選擇了縱波微型斜探頭方法。選擇探頭角度應(yīng)遵守的基本原則[8]有:①主聲束入射到裂紋與葉根面形成的端角處。 ②裂紋產(chǎn)生的回波信號(hào)盡可能避開雜波信號(hào)或固有回波。 ③波形單一,容易判斷。 ④確定探傷靈敏度盡可能用固有回波信號(hào)。

葉根探傷要求探頭體積小、前沿短、靈敏度高。按照要求,設(shè)計(jì)出如圖4 所示的斜探頭(采用聚楓樹脂)結(jié)構(gòu),方便安裝。圖中L0為最小前沿長(zhǎng)度,a為晶片寬度,α為入射角,從圖4 可以看出:

圖4 斜探頭結(jié)構(gòu)圖

由折射角與入射角關(guān)系式:

式中c1 為透聲楔中縱波聲速;β 為折射角。

由式(1)和(2)可得最小前沿長(zhǎng)度L0為:

由上述分析,為減小L0,晶片的尺寸應(yīng)盡可能小。此外,對(duì)于一定的晶片尺寸和折射角β,減小透聲楔中縱波聲速,也可以減小入射角α,以達(dá)到減小前沿尺寸L0的目的。

由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上葉片間隙大部分都＜7 mm,因此所用探頭的高度也應(yīng)該＜7 mm。通過多方面的綜合考慮和分析, 選擇了微型短前沿縱波探頭。其頻率為5 M Hz、晶片尺寸6 mm ×6 mm(或5 mm×5 mm)、高度6 mm、折射角35°～70°之間,探頭楔塊采用聚楓樹脂,探傷面改在葉片的背弧面,利用一次或二次波來(lái)探測(cè)T 型葉根的裂紋。

2.2.2 檢驗(yàn)儀器和試塊的選擇

(1)超聲波探傷儀應(yīng)符合JB/T 10061 標(biāo)準(zhǔn)的要求:①超聲波探傷儀工作頻率為1～10 M HZ 。②衰減器的總衰減量≥60 dB,在探傷儀規(guī)定的工作頻率范圍內(nèi)衰減器每12 dB 的工作誤差≤±1 dB。③水平線性誤差≤2%。 ④垂直線性誤差≤8%。

(2)葉片檢測(cè)所用的試塊分為標(biāo)準(zhǔn)試塊和對(duì)比試塊2 種。標(biāo)準(zhǔn)試塊采用JB/T 10063 標(biāo)準(zhǔn)的1 號(hào)試塊,用于對(duì)探頭入射點(diǎn)、折射角等有關(guān)性能測(cè)試和儀器的基線調(diào)節(jié)。對(duì)比試塊可采用材質(zhì)相近的同型號(hào)葉片,若無(wú)法做到則應(yīng)根據(jù)該級(jí)葉根結(jié)構(gòu)圖,選擇合適的探傷技術(shù)條件。

(3)耦合劑的選擇非常重要,透聲性較好的甘油(丙三醇)或機(jī)油是較好的選擇。其次,被探葉片的葉身或葉根的探測(cè)面應(yīng)進(jìn)行清理,并按順序編號(hào),以便整理總結(jié)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 探頭安裝

由上面的應(yīng)力分析,如圖5 所示,探頭裝在在葉片的背弧面,F1,F2,處為裂紋,葉根端面為B,B′。

圖5 探頭安裝圖

3.2 靈敏度的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[8] 的結(jié)論及DL/T 417—2000 標(biāo)準(zhǔn)[9],以葉根端面回波為參考信號(hào)波,再增益20 dB即可。

3.3 裂紋的判定

葉根探傷的特點(diǎn)不僅是定點(diǎn),還要定位。由上述的應(yīng)力分析可知,應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)圖中F1位置。F1位置采用一次波探傷,F2 位置采用二次波探傷。探測(cè)F1位置時(shí),左右移動(dòng)發(fā)現(xiàn)圖6(a)所示波形,當(dāng)B端面波和裂紋波交替變化,且波高超過探傷靈敏度時(shí),即可判定為裂紋信號(hào);探測(cè)F2位置時(shí),出現(xiàn)圖6(b)所示動(dòng)態(tài)波形,裂紋波應(yīng)該位于葉根端面波前,波高超過探傷靈敏度時(shí),即可判為裂紋信號(hào)。

圖6 探傷動(dòng)態(tài)波形

4 結(jié)論

(1)采用有限元方法,對(duì)葉根的受力情況進(jìn)行了分析,確定了葉根的應(yīng)力集中位置。根據(jù)有限元分析所得到的應(yīng)力分布結(jié)果,對(duì)葉根進(jìn)行超聲波探傷有很大的幫助作用。

(2)葉根超聲波檢驗(yàn)所用的探頭耦合的好壞直接關(guān)系著葉根檢測(cè)方法的可靠性和準(zhǔn)確性,這需要進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期的試驗(yàn)才能完成。上述所用的縱波微型斜探頭,具較強(qiáng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

(3)T 型葉根縱波檢測(cè),可以克服傳統(tǒng)的檢測(cè)范圍小、容易漏檢和誤判的缺點(diǎn),且缺陷波直觀、明顯,大大提高了葉根檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性,并有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn),實(shí)踐證明是一種對(duì)T型葉根裂紋檢測(cè)的理想工藝。

[1] 韓中合, 田松峰,馬曉芳, 等.火電廠汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行[M] .北京:中國(guó)電力出版社,2002:51-63.

[2] 李克明.超聲波探傷[M] .北京:電力工業(yè)出版社,1980:270-282.

[3] 馬慶增, 馮活河, 黃建沖.有限元應(yīng)力分析在葉根超聲波探傷上的輔助應(yīng)用[J] .廣東電力, 2000,15(1):300-306.

[4] 劉志江, 袁平, 蔡禮東.一臺(tái)300MW 汽輪機(jī)次末級(jí)葉片斷裂損傷原因分析[J] .中國(guó)電力, 2000, 33(6):7-10.

[5] 宋紹河.汽輪機(jī)葉根新型超聲波探頭的研制[J] .甘肅電力,1994(2):43-45.

[6] 路正基, 王興明.汽輪機(jī)葉片T 形葉根裂紋的檢測(cè)[J] .無(wú)損探傷,1989(4):14-16.

[7] 江學(xué)榮, 杜好陽(yáng).無(wú)縫鋼管超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)[J] .廣東電力, 2002,15(5):33-35.

[8] 林德源, 陳開路,陳秉忠.汽輪機(jī)葉片T 形葉根的超聲橫波探傷[J] .無(wú)損探傷,2005,27(10):556-558.

[9] DL/T 714—2000 汽輪機(jī)葉片超聲波檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則[S] .