杜建偉，吳 靖，李冬華，汪小平

（國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司杭州分部，浙江省杭州市 310000）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組使用軸瓦通過滑動(dòng)摩擦對(duì)機(jī)組進(jìn)行固定，由于蓄能電站水頭普遍較高，機(jī)組轉(zhuǎn)速較大，盡管采用透平油對(duì)摩擦面進(jìn)行潤滑，但機(jī)組振動(dòng)對(duì)于軸瓦的沖擊以及摩擦面內(nèi)對(duì)油膜的剪切給予巴氏合金的剪切力，使得巴氏合金層與軸瓦鋼襯受力復(fù)雜，導(dǎo)致現(xiàn)在諸多家電站出現(xiàn)軸瓦脫殼缺陷。

此外，隨著機(jī)組服役時(shí)間增加，軸瓦發(fā)生蠕變，又由于服役過程中受到交變應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)合面和巴氏合金本身力學(xué)性能下降，當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)脫殼缺陷。

軸瓦是發(fā)電機(jī)組的重要受力部件，及時(shí)有效的檢出缺陷，能有效地避免燒瓦事件，避免機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)以及可能帶來的其他后果。

1 檢測(cè)條件分析

1.1 抽水抽蓄電站軸瓦結(jié)構(gòu)

華東某抽水蓄能電站目前采用全傘式機(jī)組，具有上導(dǎo)瓦，因此在無損檢測(cè)時(shí)需要對(duì)上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、水導(dǎo)瓦、推力瓦進(jìn)行無損檢測(cè)，上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、水導(dǎo)瓦具有一定的弧度，其曲率半徑等于各自所環(huán)抱大軸的半徑，在瓦面進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，曲面瓦底波與大平底底波比較，根據(jù)式（1）和式（2）

式中P——心圓柱體內(nèi)孔檢測(cè)回波聲壓，Pa；

P0——波源的起始聲壓，Pa；

fs——波源面積，mm2；

λ——波長，mm；

x——反射體至波源的距離，mm；

D——空心圓柱體外徑，mm；

d——空心圓柱體內(nèi)徑，mm。

式中Δ——大平底與空心圓柱體回波聲壓差，dB；

P1——空心圓柱體回波聲壓，Pa；

P2——大平底回波聲壓，Pa。

使用底波檢測(cè)，D=1210mm，d=1100mm，計(jì)算得Δ=0.4dB，即在曲面一次底波達(dá)到80%高時(shí)，大平底底波會(huì)在76%高，而用界面反射波檢測(cè)時(shí)，一般抽蓄巴氏合金層的厚度僅為3～5mm，D≈d，這個(gè)差值會(huì)更小，因此本文選用曲率半徑無窮大的推力瓦來說明軸瓦檢測(cè)過程。

1.2 巴氏合金層結(jié)合特點(diǎn)

巴士合金是在α固溶體中分布著硬質(zhì)合金質(zhì)點(diǎn)[1]，通過鑄造，與鋼襯通過金屬鍵形成化學(xué)結(jié)合，在鑄造過程中，對(duì)鋼襯的表面粗糙度有著嚴(yán)格的要求，因此成型的軸瓦巴氏合金層厚度比較均勻，這對(duì)于超聲波檢測(cè)檢測(cè)與脫殼分析帶來了便利。

1.3 耦合對(duì)于檢測(cè)的影響

目前電站軸瓦的超聲波檢測(cè)使用汽輪機(jī)油作為耦合劑，探頭為有機(jī)玻璃，軸瓦為巴氏合金層，這就形成了異質(zhì)薄層，異質(zhì)薄層聲強(qiáng)透射率：

式中T——聲強(qiáng)透射率；

Z1——介質(zhì)1聲阻抗，g/cm2·s；

Z3——介質(zhì)3聲阻抗，g/cm2·s；

D2——異質(zhì)薄層厚度，mm；

λ2——聲波在異質(zhì)薄層中的波長，mm；

Z2——異質(zhì)薄層聲阻抗，g/cm2·s。

由公式可以看出，不同的油膜厚度（d2）會(huì)導(dǎo)致不同的聲壓透射率，另外不同的油膜厚度也會(huì)存在不同的聲壓衰減，所以為了便于比較，在檢測(cè)時(shí)應(yīng)控制手法找到最高波。

2 單晶直探頭的檢測(cè)理論分析

2.1 理想條件下界面波與底波波高差

在使用縱波垂直入射時(shí)，材料聲阻抗為：

式中z——聲阻抗，g/cm2·s；

ρ——材料密度，g/cm2；

c——材料中聲音傳播速度，s。

巴氏合金密度ρ=7.3g/cm3，聲速為CSn=3320m/s，鋼中聲速5900m/s，巴氏合金與鋼襯聲阻抗分別為：

式中Z4——錫的聲阻抗，g/cm2·s；

Z5——鋼的聲阻抗，g/cm2·s。

聲壓反射率為：

式中r——聲壓反射率。

聲壓透射率計(jì)算公式為：

式中T往——聲壓透射率。

由公式

式中Δ1——底波與界面波的聲壓差，dB；

B——底波聲壓，Pa；

S——界面波聲壓，Pa。

理論底波比界面波高9.2dB。

2.2 理想條件下界面分層與界面結(jié)合良好聲壓差

在結(jié)合層分層時(shí)，設(shè)結(jié)合層為空氣，聲壓反射率約等于1，由此計(jì)算結(jié)合層分層時(shí)與結(jié)合良好時(shí)的聲壓差。

式中Δ2—— 理想條件下界面分層與界面結(jié)合良好聲壓差，dB；

P3——界面結(jié)合良好時(shí)反射波聲壓，Pa；

P4——界面分層時(shí)反射波聲壓，Pa。

此時(shí)無底波，利用這個(gè)特點(diǎn)，可以對(duì)軸瓦分層情況進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)脫殼時(shí)，底波會(huì)降低，界面波會(huì)升高，且界面波在固定的檢測(cè)靈敏度下，會(huì)增加在超聲儀上出現(xiàn)的次數(shù)，因此可以通過定義界面波與底波波高差值、單獨(dú)對(duì)界面波或底波的變化量值或界面波出現(xiàn)的次數(shù)來對(duì)脫殼進(jìn)行分析，并選擇相應(yīng)的探傷靈敏度。

3 靈敏度調(diào)整

根據(jù)DL/T 297—2011使用底波和缺陷波兩種調(diào)節(jié)靈敏度[2]，底波是用降低10～12dB，缺陷波是用增加4～6dB方法，兩種都用最小靈敏度，即底波降低12dB，缺陷波升高6dB，作為缺陷判定依據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)小于探頭面積脫殼缺陷時(shí)，因?yàn)槲闯雎暿鴶U(kuò)散區(qū)，可以認(rèn)為在垂直聲束平面內(nèi)各點(diǎn)聲壓相等，脫殼區(qū)出現(xiàn)聲壓全反射，只有未脫殼區(qū)返回底波，見圖1，可以用到底波聲壓公式：

式中P5——界面結(jié)合良好時(shí)底波回波聲壓，Pa。

此時(shí)是檢出脫殼面積為探頭晶片面積的3/4的缺陷，而此時(shí)的界面波升高：

Δ3—— 檢出脫殼面積為探頭晶片面積314的缺陷時(shí)界面波升高量，dB。

可以看到兩種檢測(cè)靈敏度存在2.45dB差別。

圖1 小于探頭晶片面積的缺陷超聲波回波圖（Pa）Fig.1 Ultrasonic echo graph less than the area of the probe.（Pa）

按照標(biāo)準(zhǔn)，要求計(jì)入不小于晶片面積50%的缺陷，計(jì)算界面波升高：

式中Δ4—— 探頭晶片面積50%的缺陷與無缺陷時(shí)界面聲壓差，dB。

底波降低：

式中Δ5—— 探頭晶片面積50%的缺陷與無缺陷時(shí)底波聲壓差，dB；

綜上分析，在使用單晶直探頭檢測(cè)時(shí)，當(dāng)使用底波調(diào)時(shí)，可以增益6.5dB，當(dāng)?shù)撞ń档偷皆ǜ邥r(shí)，判定為缺陷，使用界面波調(diào)時(shí)，可以衰減6dB，當(dāng)界面波升高到原波高時(shí)，判定為缺陷，在實(shí)際工作中因?yàn)榈撞ㄅc界面波相差9.2dB，小于前兩者之和，因此可以直接引用JB/T 4272—1994中的相對(duì)波高法進(jìn)行檢測(cè)[3]，當(dāng)界面波與底波高度相同時(shí)，直接判為脫殼，這也是特種設(shè)備行業(yè)對(duì)于質(zhì)量要求高的復(fù)合板可以利用底波與界面波高度差判斷復(fù)合情況的要求[4]。

4 探頭的選用及檢測(cè)

綜合JB/T 4272—1994及DL/T 297—2011對(duì)于目前抽水蓄能電站推力瓦規(guī)格，襯背厚度一般在50～160mm之間，巴氏合金厚度在3～5mm，考慮合金層厚度較小，高頻率可以減小頻帶寬度，增大分辨率，減小盲區(qū)，所以頻率要選擇5MHz以上的，考慮到近場(chǎng)區(qū)及鋼襯的厚度最終晶片尺寸確定為?10mm。在實(shí)際檢測(cè)中分辨率、底波效果較好。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不能單單使用一種波檢測(cè)，對(duì)于圖2所示存在傾斜缺陷并不會(huì)出現(xiàn)界面波升高情況，但是底波會(huì)下降，只觀察界面波會(huì)造成漏檢。對(duì)于圖3所示情況，當(dāng)缺陷成為異質(zhì)薄層并滿足其阻抗為巴氏合金與鋼襯阻抗幾何平均值，厚度為1/4波長奇數(shù)倍時(shí)，聲波完全透過，出現(xiàn)底波不降低情況，只觀察底波會(huì)造成漏檢。為避免上述兩種情況，這也是采用界面波與底波共同判斷脫殼的原因之一。

圖2 傾斜缺陷示意圖Fig.2 Oblique defect sketch（annotation：Beam diverging，receiving no interface wave and bottom wave）

圖3 異質(zhì)薄層缺陷示意圖Fig.3 Schematic diagram of heterogeneous thin layer defect（annotation：This defect causes the rise of interface waves）

5 雙晶探頭的使用

就目前出現(xiàn)的脫殼現(xiàn)象，都是結(jié)合面脫開，因此可以利用雙晶的高靈敏度對(duì)軸瓦進(jìn)行檢測(cè)，通過觀察軸瓦完好處界面波與底波情況，利用完好結(jié)合面處的界面波高與階梯試塊完全脫開情況波形進(jìn)行對(duì)比，出現(xiàn)介于兩者之間的波形需要用單晶探頭對(duì)該處進(jìn)行復(fù)檢。

考慮到檢測(cè)效率和能夠滿足軸瓦耦合要求，雙晶探頭晶片面積選用為?14mm，為了能夠發(fā)現(xiàn)小的缺陷，頻率選用5MHZ的，主要是考慮擴(kuò)散角較小，能力集中，分辨力好，巴氏合金層較薄，衰減較小，圖4是雙晶探頭檢測(cè)的原理圖，聲波發(fā)射晶片與接受晶片在工件內(nèi)部形成abcd所示菱形聚焦區(qū)，也是檢測(cè)區(qū)，圖5為目前軸瓦檢測(cè)使用的型號(hào)為MSEB4的雙晶探頭AVG曲線，該探頭可在2.5mm深以外檢測(cè)，最大檢測(cè)深度超過軸瓦厚度，同樣可以對(duì)底波進(jìn)行觀察。

圖4 雙晶探頭原理圖Fig.4 Double crystal probe principle diagram

圖5 MSEB4雙晶探頭AVG曲線Fig.5 Double crystal probe AVG curve

雙晶探頭在滿足單晶探頭的屬性功能后，相比單晶探頭，雙晶探頭因其發(fā)射靈敏度與接收靈敏度都比較高，且因其結(jié)構(gòu)固有特性，能獲得較窄脈沖，提高分辨率，減少雜波。并且因?yàn)檠舆t塊的使用減小了在工件中的盲區(qū)，使其對(duì)于表面缺陷檢測(cè)十分有利。使用雙晶探頭的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抽水蓄能電站軸瓦鋼襯存在通油孔，無法準(zhǔn)確判斷底波，采用雙晶探頭對(duì)表面區(qū)域的高靈敏度的特點(diǎn)，對(duì)軸瓦進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。

綜上，在目前軸瓦檢測(cè)中，首選雙晶探頭。

6 邊界的確定

標(biāo)準(zhǔn)DL/T 297—2011采用6dB法對(duì)邊界進(jìn)行判定，為了減少邊界結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波波高的影響，當(dāng)出現(xiàn)完全脫開情況時(shí)，目前采用波形完全恢復(fù)正常時(shí)減小一半探頭寬度作為邊界的方法?？梢酝瑯舆_(dá)到6dB法的效果，因?yàn)闄C(jī)組都是在役檢測(cè)，應(yīng)選用同一方法對(duì)其邊界確定，而這種方法能更好的對(duì)缺陷面積的變化進(jìn)行追蹤，建立脫殼面積與時(shí)間的函數(shù)，觀察脫殼面積是否發(fā)生突變，這對(duì)于在役產(chǎn)品的使用具有更好的參考價(jià)值。

7 對(duì)比試塊及衰減

7.1 對(duì)比試塊

按照GB/T 1174—1992應(yīng)選用與軸瓦相同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)試樣[5]，但現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)由于其體積龐大，為了方便工作開展，因此選用采用相同材質(zhì)的階梯式快，還可以通過階梯試塊調(diào)整探頭零偏，校準(zhǔn)儀器。

圖6 階梯試塊（mm）Fig.6 Ladder block（mm）

7.2 聲壓衰減

在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，當(dāng)晶粒尺寸小于波長時(shí)，散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比，但是在進(jìn)行軸瓦脫殼檢測(cè)時(shí)，由于巴氏合金層厚度較小，僅3～5mm，又因?yàn)檎邘缀跏窍嗤陌褪虾辖饘雍穸?，不需要?jì)算因?yàn)樗p而在不同深度的反射波引起的波高變化值，因此本次檢測(cè)不考慮衰減問題。

8 結(jié)束語

在役產(chǎn)品檢測(cè)有其自身特點(diǎn)，由于機(jī)組檢修期給予金屬檢測(cè)時(shí)間有限，本文在保證檢測(cè)質(zhì)量的同時(shí)要提高了檢測(cè)效率。對(duì)于出現(xiàn)的缺陷，除了參考軸瓦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從檢測(cè)角度，建議對(duì)缺陷面積進(jìn)行跟蹤觀察，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益更大化。