王升華

舍弗勒（南京）有限公司 江蘇南京 210000

汽輪機(jī)機(jī)葉片隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間和峰值頻率的增加，其運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)力條件愈加復(fù)雜，容易因制造缺陷、材料性能等因素造成斷裂事故。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，一旦發(fā)生失效，會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。由于葉根部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間有限，射線檢測難以施展，一般采用常規(guī)超聲波檢測對葉根進(jìn)行檢測。但需要準(zhǔn)備多種不同規(guī)格的探頭，檢測效率較低，檢測數(shù)據(jù)不易分析和存儲，對檢測人員的水平要求較高，亟需開發(fā)更加有效的檢測手段[1]。

1 超聲相控陣波檢測技術(shù)

PAUT檢測技術(shù)源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，具有超越常規(guī)超聲的許多優(yōu)勢，由于相控陣傳感器是由多個(gè)壓電晶片按一定的順序組成，傳感器陣列中的每個(gè)陣元由儀器的延遲法則控制發(fā)射和接收脈沖?？筛淖兏鱾€(gè)陣元所產(chǎn)生的聲波在物體內(nèi)部空間的波形疊加關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)控制工件中超聲波束的動態(tài)偏轉(zhuǎn)和聚焦，滿足多角度大范圍全覆蓋的掃查要求。

2 汽輪機(jī)葉根的PAUT檢測

2.1 樅樹型葉根檢測

樅樹型葉根和輪緣的軸向端口一般設(shè)計(jì)成尖劈狀，可以使葉根和對應(yīng)的輪緣承載面的強(qiáng)度基本相同，將根部的載荷平均分布。樅樹型葉根的各項(xiàng)應(yīng)力往往在齒根處增大，結(jié)合齒根和齒槽結(jié)構(gòu)以及有關(guān)研究數(shù)據(jù)，可知樅樹型葉根應(yīng)力一般在第一根或第二根表面達(dá)到極大值。已有國內(nèi)外關(guān)于葉片根部斷裂案例顯示，根部裂紋多數(shù)會出現(xiàn)在第一齒根的內(nèi)弧或外弧位置，因此第一齒根內(nèi)弧和外弧位置危害性較大，是檢測的重點(diǎn)部位[2]。由于葉根結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，齒槽處的缺陷回波信號和臨近的結(jié)構(gòu)信號不易區(qū)分。為了確定PAUT聲束在葉根檢測區(qū)域聲束的能量分布、偏轉(zhuǎn)角度、靈敏度等情況，采用CIVA仿真軟件模擬樅樹型葉根PAUT檢測結(jié)果。首先將葉根的3D模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真軟件，設(shè)定人工刻槽的大小及位置，人工缺陷的長寬深尺寸為5mm×1mm×1mm，分布于第一齒根內(nèi)弧和外弧位置。設(shè)定探頭位置，通過模擬不同探頭頻率、陣元數(shù)、偏轉(zhuǎn)角度，分別計(jì)算人工缺陷處的仿真結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頻率宜采用5-7.5MHz，陣元數(shù)不超過32個(gè)，陣元間距0.4mm-0.5mm，可以達(dá)到最佳的信噪比和靈敏度。根據(jù)仿真結(jié)果制作對比試塊，定作相控陣探頭和楔塊。綜合考慮探頭尺寸和表面耦合情況，最終采用5MHz16陣元0.4mm間距的線性陣列探頭和具有一定曲率的探頭楔塊。通過在帶有人工刻槽的試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，所得到的結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近，所有人工刻槽均可有效的被檢測出。

2.2 T型葉根檢測

T型葉根也是汽輪機(jī)常見的一種葉根類型，主要應(yīng)用于汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子。已有許多汽輪機(jī)葉根斷裂事故表明，葉根的圓角區(qū)域是T型葉根應(yīng)力最集中區(qū)域，由于受汽輪機(jī)葉根的運(yùn)行參數(shù)影響，該種型式裂紋具有快速擴(kuò)展趨勢，是定期重點(diǎn)監(jiān)測的部位。試驗(yàn)根據(jù)CIVA仿真軟件的仿真結(jié)果，制作T型葉根試塊，在T型葉根上下兩個(gè)R角位置各制作一個(gè)長寬深尺寸為5mm×1mm×1mm的人工槽作為缺陷，模擬工況條件下易出現(xiàn)的裂紋缺陷。探頭選用7.5MHz16陣元線性陣列探頭，不采用楔塊。將探頭至于端部，設(shè)定動態(tài)聚焦深度分別聚焦于兩個(gè)R角位置，扇形掃查左右各偏轉(zhuǎn)35度，可以清楚地發(fā)現(xiàn)R角固有反射信號附近的人工刻槽缺陷信號。將檢測人工試塊的PAUT工藝參數(shù)保存，直接用于實(shí)際工件檢測，可對汽輪機(jī)葉根迅速進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，提高了檢測效率，檢測數(shù)據(jù)保存后可以隨時(shí)讀取進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。比傳統(tǒng)超聲波檢測方法更加的高效和可靠[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，通過使用PAUT檢測技術(shù)對汽輪機(jī)葉根進(jìn)行檢測應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論：（1）PAUT檢測技術(shù)可用于汽輪機(jī)葉根的裂紋檢測。（2）使用CIVA仿真軟件可用于相控陣檢測的工藝設(shè)計(jì)和缺陷檢測模擬。（3）PAUT檢測技術(shù)相對于傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)具有更高的檢測效率和可靠性。