田勝華 王 珍

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

汽輪機(jī)零部件數(shù)量眾多，多數(shù)處于高溫高壓的惡劣環(huán)境，對(duì)材料本身性能要求高，對(duì)材料的表面缺陷要求控制嚴(yán)格。在不同工況下，工件將承受不同的拉伸、剪切、彎曲及疲勞應(yīng)力等，表面缺陷就可能成為應(yīng)力的集中區(qū)，擴(kuò)展成為裂紋，甚至成為斷裂的起裂點(diǎn)，所以要盡早、及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除這類缺陷，方可保證機(jī)組安全運(yùn)行。此外，承載運(yùn)輸油、汽的零部件如調(diào)速保安系統(tǒng)部件、通流部分部件、油系統(tǒng)以及蒸汽系統(tǒng)部件，必須滿足JB/T 4058—1999《汽輪機(jī)清潔度》要求，避免因?yàn)楫愇镞M(jìn)入油、蒸汽通道影響機(jī)組運(yùn)行安全。如在電廠機(jī)組運(yùn)行前沖管等工藝措施不能清除的一些附屬物或氧化物，在運(yùn)行中因沖刷、振動(dòng)剝落后，直接或破壞各種濾網(wǎng)后隨著高溫高壓的蒸汽進(jìn)入機(jī)組通流部位，會(huì)先后對(duì)噴嘴葉片、動(dòng)葉片，甚至轉(zhuǎn)子造成不可逆的破壞，嚴(yán)重的可能出現(xiàn)安全事故。

肉眼無(wú)法對(duì)機(jī)組中腔室、管道、裝配等隱藏部位表面進(jìn)行直觀檢測(cè)，而工業(yè)內(nèi)窺鏡因其體積小、便于攜帶、觀測(cè)距離長(zhǎng)、直徑小、直觀、可定量等特點(diǎn)在此類檢測(cè)中發(fā)揮了重要的作用。

1 內(nèi)窺鏡基本知識(shí)

目視檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)的一種形式，而工業(yè)內(nèi)窺鏡的應(yīng)用，打破了肉眼的限制，使目視檢測(cè)視野可達(dá)管道、腔體、組裝部套內(nèi)部，可以對(duì)裂紋、起皮、拉線、劃痕、凹坑、凸起、斑點(diǎn)、腐蝕、未焊透、焊漏、多余物、裝配缺陷等進(jìn)行檢測(cè)，一些先進(jìn)的設(shè)備已經(jīng)可以達(dá)到色溫8000K以上，接近日光色溫，實(shí)現(xiàn)色彩的最佳還原，使呈現(xiàn)的缺陷更精確，更好識(shí)別。內(nèi)窺鏡具備測(cè)量缺陷的能力，如測(cè)量缺陷的長(zhǎng)度和面積等數(shù)據(jù)。隨著特殊性能材料、照相攝像技術(shù)、計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存及處理、鋰電池、光學(xué)鏡頭技術(shù)、顯示器分辨率等技術(shù)的全面提高，內(nèi)窺鏡也逐步升級(jí)，具備更精確、更方便、工作范圍更廣、定量測(cè)量更具可信度的優(yōu)勢(shì)。內(nèi)窺鏡探頭如圖1所示。

2 內(nèi)窺鏡在各制造環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

2.1 科研

核能發(fā)電汽輪機(jī)用轉(zhuǎn)子由于體量龐大，很難得到合格的整鍛產(chǎn)品，所以目前都是由鍛成不同部分的輪盤(pán)和軸頭焊接而成，這樣可以避免整鍛轉(zhuǎn)子的鍛件缺陷，又減輕了轉(zhuǎn)子的重量，性能得到提升。汽輪機(jī)在起機(jī)、關(guān)機(jī)、工況轉(zhuǎn)變過(guò)程以及運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子承受了復(fù)雜的動(dòng)載荷和變載荷，缺陷會(huì)被復(fù)雜的工作環(huán)境放大，加速了焊接接頭的疲勞進(jìn)程，使缺陷快速擴(kuò)展成裂紋等極具危害的形態(tài)，造成重大事故。正因?yàn)檫@樣，先進(jìn)的焊接轉(zhuǎn)子制造技術(shù)(包括檢測(cè)技術(shù))長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。東方汽輪機(jī)有限公司成功研制出國(guó)內(nèi)首根核電用轉(zhuǎn)子。因?yàn)椴煌糠种g有特殊的腔室，在打底焊接時(shí)，無(wú)法觀測(cè)到焊縫背面成型情況，常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)也很難對(duì)焊縫背面成型情況進(jìn)行直觀判斷，所以引入了工業(yè)內(nèi)窺鏡的檢測(cè)，將此處焊縫背面表面形態(tài)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，在焊縫背部成型、背部焊道尺寸控制以及表面缺陷排除方面做了出色表現(xiàn)。給技術(shù)人員提供了有效數(shù)據(jù)的支持。我公司還自主設(shè)計(jì)制作了特殊工裝，解決了探頭軟管進(jìn)退問(wèn)題，對(duì)內(nèi)窺鏡探頭進(jìn)行物理局部降溫，克服了對(duì)內(nèi)窺鏡工作溫度的限制。如圖2為內(nèi)窺鏡拍攝的焊接轉(zhuǎn)子焊縫背面成型圖。

圖1 內(nèi)窺鏡探頭Figure 1 Endoscopic probe

圖2 焊接轉(zhuǎn)子焊縫背面成型圖Figure 2 Weld back profile of welded rotor

2.2 鍛造

汽輪機(jī)中常用內(nèi)窺鏡檢測(cè)的鍛件：管道、軸承座腔室等。以無(wú)縫鋼管為例，無(wú)縫鋼管是通過(guò)穿孔法和高速擠壓法得到的。

2.2.1 穿孔法

用穿孔機(jī)穿孔，同時(shí)用軋輥滾軋，用芯棒軋管機(jī)定徑、壓延、平整、成型。

2.2.2 高速擠壓法

在擠壓機(jī)中直接擠壓成形，這種方法加工的管材尺寸精度高。所以無(wú)縫鋼管內(nèi)孔中的主要表面缺陷有裂紋、折疊、分層和夾雜等。鍛件常見(jiàn)缺陷形態(tài)見(jiàn)圖3。

2.3 焊接

焊接的應(yīng)用解決了鍛件和鑄件不容易做到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以在特殊管件和腔室結(jié)構(gòu)上，焊接結(jié)構(gòu)受到設(shè)計(jì)的青睞。內(nèi)窺鏡對(duì)于肉眼不及的腔室及焊縫起到監(jiān)測(cè)作用。 汽輪機(jī)中常用內(nèi)窺鏡檢測(cè)的焊接件有：管道、焊接轉(zhuǎn)子、油箱、焊接空心葉片、焊接隔板腔室、低壓加熱器腔室、凝汽器腔室、軸承箱、齒輪箱、閥門(mén)等。

常見(jiàn)缺陷為：縮孔、夾渣、根部未焊透、表面氧化、飛濺、焊瘤、錯(cuò)邊、根部收縮等。焊接常見(jiàn)表面缺陷形態(tài)見(jiàn)圖4。

以焊接管為例，先將經(jīng)檢測(cè)合格的板材卷成管形后，再用自動(dòng)焊焊接而成，一般大口徑管多用這種方法加工。由于板材已檢測(cè)過(guò)，所以焊接管常見(jiàn)缺陷為焊縫缺陷。

2.4 鑄造

常見(jiàn)表面缺陷有：夾砂、殘余物、毛刺、交錯(cuò)孔、氣孔、裂紋及鑄件熱處理過(guò)程中的氧化皮等。缺陷的形態(tài)與焊接等工藝制造過(guò)程產(chǎn)生的缺陷類似。

主要零部件為：噴嘴室、精鑄空心葉片等。

2.5 加工及倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程

加工及倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，由于防護(hù)不當(dāng)造成金屬屑、填料、電焊條和殘留焊條頭、破布、垃圾等進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部，由于氧化產(chǎn)生鱗片、銹跡等，常見(jiàn)的表面缺陷形態(tài)見(jiàn)圖5。

2.6 精確測(cè)量

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)缺陷有一個(gè)容忍范圍，所以就需要對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量，以便判斷是否可以接受。內(nèi)窺鏡雙目光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)是利用三維測(cè)量原理，內(nèi)置軟件把兩路光學(xué)系統(tǒng)捕捉的兩個(gè)分離圖像進(jìn)行立體重建。目前多采用兩種技術(shù)：

(1)雙物鏡、雙圖像傳感器成像技術(shù)。

(2)雙物鏡、單圖像傳感器分時(shí)成像技術(shù)。

圖6為雙目立體視覺(jué)數(shù)學(xué)模型，圖7為雙物鏡雙圖像法對(duì)缺陷深度和寬度的測(cè)量。

2.7 其他

在汽輪機(jī)制造過(guò)程中，因?yàn)楣ぱb或者特殊部位的限制，需要對(duì)隱藏部位進(jìn)行目視確認(rèn)。如水壓試驗(yàn)、總裝觀測(cè)等。

2.8 運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)中存在的問(wèn)題

到達(dá)電廠的部套在倉(cāng)儲(chǔ)以及安裝過(guò)程中，產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的損傷。如對(duì)某燃機(jī)缸本體進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于電廠的氣候，或者在倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)防護(hù)不到位，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題：缸內(nèi)銹蝕較為嚴(yán)重；缸體內(nèi)部積水嚴(yán)重；缸體內(nèi)存在雜物等。

圖3 鍛件常見(jiàn)缺陷形態(tài)Figure 3 Common defects forms of forgings

圖4 焊接常見(jiàn)表面缺陷形態(tài)Figure 4 Common surface defects forms of welding

圖5 加工及倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程常見(jiàn)的表面缺陷形態(tài)Figure 5 Common surface defects forms in machining and warehousing processes

圖6 雙目立體視覺(jué)數(shù)學(xué)模型Figure 6 Mathematical model of binocular stereo vision

3 對(duì)制造的提升

根據(jù)形成的內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)汽輪機(jī)制造中各個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題精確分析，做到有的放矢，對(duì)設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行改進(jìn)，并在合適的工藝階段進(jìn)行檢測(cè)、防護(hù)及預(yù)防。

(a)深度測(cè)量

(b)寬度測(cè)量

3.1 清理

清理異物、銹蝕等可采用物理方法和化學(xué)方法及兩者相結(jié)合的辦法。物理方法如噴丸處理、強(qiáng)風(fēng)吹掃、拋磨?；瘜W(xué)方法(酸洗槽)為：采用硫酸、磷酸、鹽酸(濃度為8%～12%)進(jìn)行酸洗。物理化學(xué)相結(jié)合的方法，如在清理軸承管道時(shí)，采用高溫蒸汽帶入酸性溶劑的方式進(jìn)行高溫酸洗。

3.2 防護(hù)

對(duì)管道、腔室等進(jìn)行干燥防護(hù)：

(1)放置蒙脫石類干燥劑。

(2)噴防銹劑，可用酒精將晶粒狀固體(FERRO-GARD 100E，F(xiàn)ERRO-GARD 100E)溶解，噴入防銹位置。然后用錫箔紙對(duì)所有管口或腔室空洞進(jìn)行封閉處理，最后蓋上臨時(shí)蓋板防護(hù)。

3.3 預(yù)防

對(duì)用內(nèi)窺鏡檢出的缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)，做進(jìn)一步的分析：

(1)反饋到工藝，如根據(jù)焊縫背面成型情況更改焊接工藝參數(shù)及焊接材料等。

(2)在原始設(shè)計(jì)選材中，壓力不高的部位選用碳鋼管道，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)銹蝕，且不容易清理與防護(hù)，為了保證清潔度，可換成不銹鋼管材，這樣檢測(cè)和維護(hù)費(fèi)用降低，因此并沒(méi)有增加實(shí)際成本。

(3)更改更為合理的裝配順序，調(diào)整內(nèi)窺鏡檢測(cè)時(shí)間，或增加檢測(cè)點(diǎn)。

4 總結(jié)

文中列舉了常見(jiàn)的缺陷類型，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期缺陷數(shù)據(jù)收集分析形成典型案例，給檢測(cè)人員提供了參照，作為判斷對(duì)比依據(jù)。同時(shí)也在工藝改進(jìn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)等方面起到了積極的作用。所以內(nèi)窺鏡充分發(fā)揮了自身的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，在汽輪機(jī)制造中起到了重要的作用，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，保證了機(jī)組效率和安全。