江野+劉文生+宋利+賈少威+王東

摘 要：文章對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪輪緣反T型槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裂紋特征進(jìn)行研究分析，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裂紋特征，對超聲相控陣換能器及楔塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過仿真模擬試驗(yàn)和理論研究對檢測工藝進(jìn)行優(yōu)化。選取某火電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉輪輪緣具有自然裂紋缺陷的部位制作對比試塊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該技術(shù)靈敏度高、成像直觀、易于判斷，滿足反T型槽在役檢測的要求。

關(guān)鍵詞：反T型槽；實(shí)時(shí)成像；超聲相控陣；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子；葉輪

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.029

0 前言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪反T型槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，長期處于高溫、高壓環(huán)境中，受到到離心力、激振力、疲勞、腐蝕和振動(dòng)以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用[1]，在應(yīng)力集中部位容易出現(xiàn)裂紋，這些缺陷的產(chǎn)生將加大機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，裂紋一旦擴(kuò)展造成高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件斷裂失效，會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和可能的人身傷害[2]。因此，在役汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量檢測十分重要。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪輪緣反T型槽的結(jié)構(gòu)特殊，采用常規(guī)A顯示脈沖超聲波檢測不易對缺陷進(jìn)行定位識(shí)別，缺陷分辨力較低，檢測結(jié)果不易判別，容易造成漏檢和誤檢[3]。文章主要通過對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪反T型槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裂紋特征的分析，對超聲相控陣實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)進(jìn)行了深入研究，通過優(yōu)化相控陣換能器、楔塊、檢測工藝參數(shù)和成像效果等創(chuàng)新手段，提高檢測靈敏度和檢測效率，并使檢測結(jié)果更直觀，缺陷定位更準(zhǔn)確。

1 反T型槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裂紋特征

汽輪機(jī)葉輪反T型槽具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的優(yōu)點(diǎn)，但其所承受應(yīng)力較小，強(qiáng)度僅能滿足較短葉片的工作需要，普遍使用在中大型火電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子較短葉片上。在工作時(shí)，汽輪機(jī)葉片主要受以下幾種力：（1）蒸汽作用力；（2）自身質(zhì)量的離心力；（3）起停時(shí)的交變應(yīng)力；（4）運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)受力；（5）頻繁調(diào)峰的交變熱應(yīng)力。葉片的T型葉根插入葉輪反T型槽中，其受力通過根部作用于葉輪反T型槽，使反T型槽四個(gè)內(nèi)角產(chǎn)生應(yīng)力集中。汽輪機(jī)葉輪反T型槽的四個(gè)內(nèi)角均為有一定弧度的圓角，其中內(nèi)側(cè)兩個(gè)圓角的半徑較大，外側(cè)兩個(gè)圓角R的半徑較小，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行外側(cè)圓角易產(chǎn)生裂紋缺陷，因此該部位為重點(diǎn)檢測區(qū)域[4]。

反T型槽裂紋產(chǎn)生的原因主要有兩種：腐蝕疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋。葉輪反T型槽在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力的共同作用下，由于輪槽內(nèi)角處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在內(nèi)角處出現(xiàn)腐蝕疲勞裂紋，裂紋在內(nèi)角區(qū)域呈群發(fā)特征，開口很寬，為穿晶形裂紋，直線擴(kuò)展，略有分叉，尖端圓潤。由于葉輪葉根輪槽內(nèi)角加工的不規(guī)范，在使用時(shí)有較大的應(yīng)力集中，葉輪材料在特定的腐蝕介質(zhì)中長期使用而出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋在內(nèi)角區(qū)域呈單發(fā)特征，裂紋曲折、細(xì)小，有較多分支為沿晶形裂紋，尖端尖銳。汽輪機(jī)葉輪反T型槽裂紋產(chǎn)生時(shí)間集中，擴(kuò)散速度快，初期裂紋形成方向與外側(cè)平面約成50°～60°，隨著裂紋的擴(kuò)展，出現(xiàn)裂紋分支，主裂紋方向逐漸與外側(cè)平面逐漸接近90°方向。

2 超聲相控陣檢測工藝優(yōu)化

2.1 聲束角度設(shè)置

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪輪緣反T型槽外側(cè)表面平滑，可移動(dòng)范圍大，方便操作，可以作為超聲相控陣檢測的掃查面。為了提高裂紋的檢測靈敏度，應(yīng)保證超聲聲束與剛產(chǎn)生的裂紋成90°方向，由于裂紋形成初始方向與外側(cè)平面成50°～60°角，所以要調(diào)整探頭放置位置，使覆蓋反T型槽外側(cè)圓角區(qū)域A的聲束入射角度在50°～60°之間，如圖1所示。為了對缺陷進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，則需要有相應(yīng)的特征波來實(shí)現(xiàn)定位，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)反T型槽內(nèi)側(cè)圓角區(qū)域C與反T型槽結(jié)構(gòu)輪緣小腳的斜面D的反射波可以作為特征波，如圖2所示。經(jīng)仿真模擬發(fā)現(xiàn)起始角度為25°，終止角度為70°時(shí)，聲束可以實(shí)現(xiàn)A、B、C區(qū)域的全覆蓋。

2.2 換能器的優(yōu)化

在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，以線陣換能器的應(yīng)用為主，其設(shè)計(jì)的基本原則：最小化主瓣寬度、消除柵瓣、抑制旁瓣[5]。理論上陣元數(shù)量越多，主瓣寬度越小，指向性越好，但同時(shí)會(huì)提高換能器的造價(jià)和檢測系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過分析陣元主瓣寬度的關(guān)系可知，16陣元的換能器既滿足使用性能，造價(jià)又不高。常用的超聲波頻率范圍在0.5～10MHz之間，超聲波頻率越高，分辨率越好，檢測靈敏度越高，但同時(shí)能量衰減越大，有效檢測范圍越小。汽輪機(jī)葉輪輪緣反T型槽厚度一般不超過30mm，所需掃查范圍不大，且要求能在裂紋擴(kuò)展初期盡早發(fā)現(xiàn)，對分辨力的要求較高，因此換能器選擇較高頻率7.5MHz。

2.3 楔塊的優(yōu)化

針對汽輪機(jī)葉輪反T型槽，楔塊入射角的選擇主要遵循：（1）聲束入射角應(yīng)介于第一臨界角、第二臨界角之間，滿足在工件中全橫波掃查要求；（2）使聲束在被檢工件中的折射角剛好掃查裂紋起源區(qū)域，即聲束折射角應(yīng)在50°～60°范圍內(nèi)。

根據(jù)斯涅耳定律計(jì)算可知，要使工件中的橫波聲束角度在50°～60°，則楔塊入射角應(yīng)在33.6°～38.8°之間；要滿足全橫波掃查要求，則楔塊入射角應(yīng)在23.3°～46.3°之間。綜上，楔塊入射角應(yīng)選擇36°。

2.4 檢測靈敏度

經(jīng)模擬研究發(fā)現(xiàn)，對于反T型槽裂紋缺陷的檢測，其主要掃查聲束角度為50°～60°。利用超聲波探傷專用試塊CSK-IIIA，測得55°聲束掃查不同深度φ1通孔反射波高80%時(shí)的增益值，見表1。考慮檢測面光滑度和對細(xì)小裂紋的檢測的需求，實(shí)際檢測靈敏度一般增益6dB～10dB最佳。

3 試驗(yàn)研究

3.1 對比試塊

截取某火電機(jī)組汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子套裝葉輪輪緣其中一部分作為本次試驗(yàn)的對比試塊，其反T型槽長a=52，寬b=26，厚δ=23mm，材質(zhì)為34CrNi1Mo，加工成型的試塊照片如圖3示。其中反T型槽試塊B側(cè)的外側(cè)圓角區(qū)域存在深約2mm的自然裂紋，裂紋通過著色探傷檢測隱約可見，處于擴(kuò)展早期，如圖4所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)儀器采用PHASCAN相控陣檢測儀，換能器：7.5S16-0.5×10-D10，楔塊：SD2-N55S（36°）。具體檢測參數(shù)詳見表2：

當(dāng)探頭放置在A側(cè)檢測面時(shí)，出現(xiàn)兩個(gè)特征波，特征波1為內(nèi)側(cè)圓角的反射波，特征波2為輪緣小腳斜面的反射波，兩個(gè)特征波在反T型槽二維模型上的位置，與反射面在試塊上的位置完全對應(yīng)，如圖5所示。當(dāng)探頭放置在B側(cè)檢測面時(shí)，除了出現(xiàn)兩個(gè)特征波，在外側(cè)圓角區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)明顯的缺陷反射信號(hào)，其在反T型槽二維模型上的位置，與裂紋在試塊上的位置完全對應(yīng)，如圖6所示。

從試驗(yàn)效果可知，該檢測系統(tǒng)對于反T型試塊外側(cè)圓角部位長約2mm的自然裂紋裂紋有很高的靈敏度，在反T型槽二維模型的相應(yīng)位置呈現(xiàn)出清晰的缺陷反射圖像，檢測結(jié)果準(zhǔn)確易識(shí)別。

4 結(jié)語

本文基于超聲相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)葉輪反T型槽實(shí)時(shí)成像檢測，結(jié)合反T型槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裂紋特征對換能器、楔塊和檢測工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法具有較高的靈敏度，檢測結(jié)果直觀、可靠，能夠在裂紋擴(kuò)展早期及時(shí)檢出，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：江野（1990-），男，湖北枝江人，助理工程師，主要從事電力行業(yè)金屬監(jiān)督及無損檢測新技術(shù)的應(yīng)用研究。endprint