（大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，深圳 518100）

大亞灣和嶺澳核電站汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的第5級(jí)葉片是采用GEC－A（英國(guó)通用電氣公司）設(shè)計(jì)制造的MARKII型葉片樅樹型葉根。由于GEC－A未改進(jìn)前的末級(jí)葉片在其它電廠發(fā)現(xiàn)過裂紋，且考慮到LP（低壓缸）轉(zhuǎn)子在第5級(jí)靜頻性能不太理想，為防止出現(xiàn)高周疲勞裂紋而造成重大事故，自大亞灣核電站1號(hào)機(jī)組第7次大修（D107）開始，就預(yù)防性安排拆末級(jí)葉片實(shí)施檢查，并在大亞灣核電站2號(hào)機(jī)組第9次大修（D209）LP1（一號(hào)低壓缸）拆葉片進(jìn)行磁粉檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了F22（前級(jí)22號(hào)）葉片的第1齒根存在裂紋。每次拆裝葉片檢查需要檢修工期8～9 d，成為核電廠常規(guī)換料大修中的關(guān)鍵路徑。通過較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)相控陣超聲波原位檢查技術(shù)可以作為拆葉片檢修策略中的是否延長(zhǎng)拆卸周期的中間判別技術(shù)，可在不揭缸只開人孔的情況下，有效地發(fā)現(xiàn)葉根最大應(yīng)力的第1齒槽的裂紋缺陷，以此評(píng)價(jià)后續(xù)拆葉片的時(shí)間或是否需要立即處理。這對(duì)于保證核電廠汽輪機(jī)組高可靠性的同時(shí)還有進(jìn)一步提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性的意義。對(duì)于汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子檢查技術(shù)的發(fā)展基本上是遵循由單一的開缸檢查策略向原位檢查與開缸檢查相結(jié)合的策略過渡。大亞灣核電站目前已經(jīng)處于原位檢查與開缸檢查相結(jié)合檢查策略的初期。

葉片在服役期間的役致裂紋從受力分析以及目前出現(xiàn)的失效案例來看，絕大多數(shù)是從第1齒槽的受力面的表面向內(nèi)開裂和擴(kuò)展。根據(jù)此特點(diǎn)，大亞灣核電站選擇的預(yù)防性檢查方法為磁粉檢查和手動(dòng)超聲波檢查。

1 常規(guī)檢查方法介紹

1.1 磁粉檢查

磁粉檢查是拆末級(jí)葉片后，最為直觀也是最為有效的檢查手段，但為此檢查需要的拆裝葉片工期大約8～9 d，同時(shí)還會(huì)帶來拆裝過程中的機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)。

截至目前為止，大亞灣和嶺澳核電站拆卸末級(jí)葉片次數(shù)近20次，僅在D209大修1號(hào)低壓缸拆葉片進(jìn)行磁粉檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了F22葉片的第1齒根存在裂紋。

1.2 手動(dòng)超聲波檢查

在D107大修前（2001年），雖然來自外部的反饋表明需要拆末級(jí)葉片實(shí)施檢查，但由于從電站投運(yùn)以來一直未實(shí)施過拆葉片，人員在技能及技術(shù)要求上尚不具備條件，為此，電站根據(jù)其末級(jí)葉片的幾何結(jié)構(gòu)形狀，研制出只拆掉汽輪機(jī)上半缸情況下的現(xiàn)場(chǎng)檢查。該技術(shù)主要是以第1齒根的幾何反射信號(hào)為參照物，如果出現(xiàn)裂紋信號(hào)，使用60°橫波探頭和直探頭在葉片的外弧、內(nèi)弧以及進(jìn)出汽口的平臺(tái)區(qū)域?qū)δ┘?jí)葉片第1齒根進(jìn)行掃查。

手動(dòng)超聲波檢查采用傳統(tǒng)檢查工藝，信號(hào)只有A掃圖像（超聲波波束傳播時(shí)間＋信號(hào)波幅顯示圖），無法進(jìn)行宏觀比較。另外由于末級(jí)葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，判斷和識(shí)別是否為結(jié)構(gòu)信號(hào)和缺陷信號(hào)的難度非常大。

手動(dòng)超聲波檢查的靈敏度較差，而磁粉檢查雖然最可靠，但要求的資源較多，尤其是檢修工期較長(zhǎng)。為此，如何找到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資源要求少，且靈敏度高的檢查技術(shù)，對(duì)于大亞灣核電站的運(yùn)營(yíng)公司所轄機(jī)組的同類型共計(jì)12臺(tái)低壓轉(zhuǎn)子的檢查而言，其產(chǎn)生的安全及經(jīng)濟(jì)利益將是非常可觀的。

表1 磁粉檢查和手動(dòng)超聲波檢查工藝對(duì)比

2 相控陣超聲波檢查技術(shù)的應(yīng)用

如果能夠?qū)崿F(xiàn)不開缸轉(zhuǎn)子原位檢查末級(jí)葉片，為實(shí)施檢查的開缸、吊缸和軸對(duì)中以及焊接等輔助工作可以取消，將大大減少檢查的工期，減少轉(zhuǎn)子拆裝次數(shù)，降低在葉片拆裝過程中對(duì)葉片的損壞風(fēng)險(xiǎn)。低壓轉(zhuǎn)子的原位檢查對(duì)低壓轉(zhuǎn)子在役維護(hù)和壽命管理能提供有說服力的數(shù)據(jù)。

由于原位檢查的現(xiàn)場(chǎng)條件和技術(shù)條件，相控陣超聲波檢查技術(shù)是實(shí)現(xiàn)原位檢查的方法之一。

2.1 相控陣超聲波檢查

相控陣超聲波技術(shù)用于無損檢測(cè)，最先是為動(dòng)力工業(yè)解決下列檢測(cè)問題：① 要用單探頭在固定位置檢出不同位置和任意方向的裂紋。② 要對(duì)檢測(cè)異種金屬焊縫和離心鑄造不銹鋼焊縫提高信噪比和定量能力。③ 要提高聲束掃查可靠性。④ 要對(duì)難以接近的受壓給水反應(yīng)器或沸水反應(yīng)堆部件進(jìn)行檢測(cè)。⑤要縮短在用設(shè)備維修檢測(cè)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。⑥要檢測(cè)和定量形狀復(fù)雜的汽輪機(jī)部件中的應(yīng)力腐蝕小裂紋。⑦ 要減少在用檢測(cè)人員射線吸收劑量。⑧ 要對(duì)一些臨界缺陷（不論缺陷方向）提高檢測(cè)、定位、定量和定向精度。⑨ 要對(duì)“合乎使用”檢測(cè)提供易于判讀的定量分析報(bào)告。

超聲相控陣技術(shù)的主要特點(diǎn)是多晶片探頭中各晶片的激勵(lì)（振幅和延時(shí)）均由計(jì)算機(jī)控制。壓電復(fù)合晶片受激勵(lì)后能產(chǎn)生超聲聚焦波束，聲束參數(shù)（如角度、焦距和焦點(diǎn)尺寸等）均可通過軟件調(diào)整。掃描聲束是聚焦的，能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋。這些裂紋可能隨機(jī)分布在遠(yuǎn)離聲束軸線的位置上。用普通單晶探頭，因移動(dòng)范圍和聲束角度有限，對(duì)方向不利的裂紋或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋很容易漏檢［1]。

通過軟件可以單獨(dú)控制相控陣探頭中每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，從而控制產(chǎn)生波束的角度、聚焦位置和焦點(diǎn)尺寸，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而可進(jìn)行掃描成像。原理參見圖1～3。

相控陣超聲波檢查技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：① 快速。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查要快得多，顯著地減少了工廠的停工期，也節(jié)省了費(fèi)用。② 靈活。單個(gè)相控陣探頭根據(jù)設(shè)置文件采用不同的掃查方式就可以檢測(cè)不同的部件。③ 可進(jìn)行復(fù)雜檢測(cè)。相控陣可以檢測(cè)幾何形面復(fù)雜的試塊，例如采用自動(dòng)檢測(cè)可以輕而易舉地檢測(cè)焊縫和槽。相控陣技術(shù)也可以采用各種掃查方式，例如雙軸式、多種角度式、多種模式、分區(qū)掃查。④ 陣列尺寸小。小晶片的陣列在具體檢測(cè)中易于應(yīng)用，例如用在檢測(cè)空間受限的管道、葉輪等工件中。

2.2 相控陣超聲波檢查技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)

2.2.1 檢查范圍的確定

目前,該課程采用傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)方式,即以教師講授為主。而工程認(rèn)證要求是以學(xué)生為中心,產(chǎn)出導(dǎo)向式教育,突出體現(xiàn)學(xué)生能夠“學(xué)到什么”。因而,需要根據(jù)課程目標(biāo),選擇合適的教學(xué)方式,使學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí),積極參與教學(xué)過程,獲得科學(xué)知識(shí),主要討論如下。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外電廠的反饋可以知道，汽輪機(jī)葉片在役期間的裂紋多發(fā)生在末級(jí)葉片的第1齒槽的位置。由于MARKII型葉片的設(shè)計(jì)特殊，存在扇形區(qū)，并且扇形區(qū)域同樣出現(xiàn)過裂紋，因此MARKII型末級(jí)葉片的第1齒槽和扇形區(qū)是末級(jí)葉片檢查的主要區(qū)域，見圖4。

圖4 末級(jí)葉片檢查的主要區(qū)域

2.2.2 末級(jí)葉片的3D仿真

MARKII型末級(jí)葉片的葉根成型復(fù)雜，如果進(jìn)行超聲波檢查仿真，必須要完成葉片的3D全真模擬才能保證設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的掃查軌跡和掃查探頭。為此，將實(shí)際的末級(jí)葉片進(jìn)行了全真三維掃描，并且繪制成了末級(jí)葉片的3D圖（圖5）。

圖5 葉片3D模擬點(diǎn)圖

2.2.3 掃查探頭的設(shè)計(jì)

采用一維的相控陣探頭，因此第1齒槽和扇形區(qū)域必須落在探頭扇掃的有效角度內(nèi)。結(jié)合專業(yè)超聲波探頭設(shè)計(jì)軟件和末級(jí)葉片的3D數(shù)據(jù)，在多個(gè)葉片的縱刨圖進(jìn)行相控陣超聲波模擬。確定合適的探頭角度和合理的檢查序列，參見圖6。

圖6 相控陣探頭模擬圖

最后，確定本項(xiàng)目的探頭數(shù)量為4個(gè)，檢查序列為8個(gè)，對(duì)第一齒槽和扇形區(qū)域可實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)檢查。

2.2.4 檢查設(shè)備

為了保證自動(dòng)檢查的實(shí)施，除相控陣超聲波設(shè)備之外，還要有實(shí)施自動(dòng)掃查的掃查器、探頭夾持小車、手持控制器以及帶動(dòng)檢查設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸裝置，參見圖7。

圖7 檢查設(shè)備連接圖

2.2.5 參考試塊和人工缺陷

由于末級(jí)葉片相控陣檢查的對(duì)象是末級(jí)葉片的齒根，幾何形狀較為復(fù)雜。在進(jìn)行相控陣掃查后得到的回波信號(hào)較為復(fù)雜，需要專用的帶有人工缺陷的參考試塊進(jìn)行檢查設(shè)備的標(biāo)定和校驗(yàn)以及作為對(duì)回波信號(hào)判傷的依據(jù)。參考試塊的加工要滿足靈敏度校驗(yàn)、檢查設(shè)備有效性驗(yàn)證、人工缺陷盡可能地體現(xiàn)真實(shí)缺陷、人工缺陷能實(shí)現(xiàn)真實(shí)檢查的信號(hào)的位置、尺寸等特征的參考和對(duì)比，參見圖8（圖中數(shù)字標(biāo)識(shí)為人工缺陷編號(hào)和位置）。

圖8 參考試塊人工缺陷示意圖

2.2.6 工藝驗(yàn)證

相控陣檢查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以可以實(shí)施有效檢查作為最終檢查工藝驗(yàn)證。在掃查系統(tǒng)建立后，分別在完好的葉片和參考葉片上進(jìn)行全掃查。掃查結(jié)果如圖9。

可見，無缺陷葉片掃查出的信號(hào)圖中在第一齒槽區(qū)域沒有任何信號(hào)顯示，而有人工缺陷的葉片掃查出的信號(hào)圖有著明顯的信號(hào)顯示。因此，相控陣超聲波原位檢查技術(shù)的檢查工藝是有效和可行的。

2.3 相控陣檢查技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

大亞灣核電站1號(hào)機(jī)組的第14次大修（D114）（2010年）期間，成功實(shí)施了1號(hào)低壓缸相控陣超聲波原位檢查。由于大修關(guān)鍵路徑的安排，本次大修沒有完整實(shí)施1號(hào)低壓缸的全部葉片的檢查。共進(jìn)行了208次葉片的掃查，包括前后級(jí)全部8個(gè)序列的檢查和驗(yàn)證，實(shí)施連續(xù)作業(yè)，人員和設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)批量檢查的要求。

圖9 相控陣掃查結(jié)果

在檢查過的葉片中沒有發(fā)現(xiàn)有缺陷的葉片。由于第一次實(shí)施檢查，掃查器的操作和探頭的標(biāo)定兩個(gè)環(huán)節(jié)仍有提高的空間。預(yù)計(jì)3 d可完成一個(gè)低壓缸一級(jí)78個(gè)葉片的掃查。

進(jìn)行掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)了個(gè)別疑似回波信號(hào)，但經(jīng)過反復(fù)的重新確認(rèn)，判斷為表面波回波信號(hào)，排除了缺陷信號(hào)的可能。

3 結(jié)論

針對(duì)MARK II型的末級(jí)葉片檢查，從理論設(shè)計(jì)到工程實(shí)踐均證明了相控陣超聲波原位檢查技術(shù)作為新型的檢查方法，可在低壓轉(zhuǎn)子上實(shí)施原位檢測(cè)工作，檢查信號(hào)能反映轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片第1齒槽的運(yùn)行狀態(tài)，可以為轉(zhuǎn)子的可靠性論證提供較充分的檢查數(shù)據(jù)。目前單臺(tái)低壓轉(zhuǎn)子的開缸檢查運(yùn)行時(shí)間是50 000 h，在引入相控陣超聲波原位檢查后，可以適當(dāng)延長(zhǎng)開缸檢查的時(shí)間，切實(shí)提高核電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

［1]李衍.超聲相控陣技術(shù)［J].無損探傷，2007，31（4）：25.