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(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710032;2.西安益通熱工技術(shù)服務有限責任公司, 西安 710032)

目前，國內(nèi)300 MW或600 MW等級氫冷汽輪發(fā)電機組的密封油系統(tǒng)多以雙流環(huán)式為主，其具有氫氣側(cè)與空氣側(cè)油路相對獨立運行的特點[1]。雙流環(huán)式汽輪發(fā)電機密封瓦布置于發(fā)電機的兩端，靠流動的高壓油來密封氫氣，起到防止氫氣泄漏、冷卻與潤滑轉(zhuǎn)子的作用[2]，且其合金層形狀多為燕尾槽結(jié)構(gòu)(見圖1，黃色箭頭為高壓油的流動方向)。然而，由于密封油系統(tǒng)的復雜性加大了運行的難度，所以密封瓦磨損脫黏的事故頻發(fā)。因此，筆者嘗試采用超聲相控陣檢測方法對密封瓦脫黏缺陷進行試驗，并對脫黏層反射回波進行了理論驗證。

圖1 密封瓦合金層燕尾槽結(jié)構(gòu)示意

1 檢測對象

1.1 合金層脫黏缺陷成因分析

密封瓦燕尾槽合金層產(chǎn)生脫黏缺陷的原因有[3]：① 制造過程中的機加工切削速度和切削量失控會使背襯材料存在內(nèi)應力，澆鑄前并未去除局部應力；② 背襯材料表面存在毛刺、尖角、裂紋、縮松、夾渣等缺陷，嚴重影響了結(jié)合面的粗糙度；③ 背襯材料表面沾污及澆鑄溫度過低使合金層與基體黏合不良；④ 在運行交變載荷及熱膨脹應力的作用下，結(jié)合面處缺陷或局部結(jié)合不良部位的巴氏合金面積發(fā)生擴展，并逐漸從襯背上脫落。

1.2 發(fā)電機密封瓦燕尾槽重點檢測區(qū)域

密封瓦基體為高錫青銅材料，外部由錫基巴氏合金層(ZSnSb8Cu4)包裹，合金厚度約為3 mm。密封瓦燕尾槽合金層結(jié)合面示意如圖2所示，高壓油分別通過空氣側(cè)的豎直孔和氫氣側(cè)的斜孔進入密封瓦中，并受壓力作用，在密封瓦合金層與發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的縫隙形成油膜，密封作用最重要的區(qū)域位于合金層兩側(cè)，即圖2中B，C，F(xiàn)，D，E，H區(qū)域。因此，密封瓦燕尾槽在制造及運行檢測過程中，合金層的脫黏缺陷是無損檢測的重點關注區(qū)域。

圖2 密封瓦燕尾槽合金層結(jié)合面示意

2 密封瓦超聲相控陣檢測的優(yōu)點

圖3 密封瓦脫黏位置的直探頭超聲A掃描波形

2.1 傳統(tǒng)檢測方法的不足

針對合金層脫黏缺陷的檢測，通常采用直探頭和雙晶直探頭，但由于密封瓦燕尾槽的結(jié)構(gòu)特殊，雙晶直探頭不能在結(jié)合面聚焦，對于結(jié)合面C，D更是無法檢測。圖3為密封瓦脫黏位置的直探頭超聲A掃描波形，由圖3可以看出，脫黏缺陷回波較難分辨。這是由于當合金層厚度范圍在1～5 mm時，合金層界面處于盲區(qū)與近場區(qū)內(nèi)[4]，盲區(qū)內(nèi)缺陷無法識別，近場區(qū)內(nèi)缺陷回波易受近場和信噪比的干擾，缺陷極易漏檢。因此，目前對密封瓦合金層的常規(guī)無損檢測方法為表面滲透檢測，該檢測方法作為檢查結(jié)合面脫黏缺陷的補充手段，只可對合金層與瓦背結(jié)合線的表面開口型缺陷進行檢測，而對于更為嚴重的早期內(nèi)部脫黏缺陷卻無法檢測。

2.2 超聲相控陣檢測

表1為密封瓦燕尾槽超聲相控陣與常規(guī)無損檢測方法的特點比較，由表1可以看出，密封瓦燕尾槽采用超聲相控陣檢測具有可檢面多、檢出率高的優(yōu)點。這是由于超聲相控陣的多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，通過設定相應的聚焦法則，逐次按預先規(guī)定的延遲時間激發(fā)各個晶片，使入射超聲波形成一個整體波陣面，有效地控制發(fā)射聲束(波陣面)的形狀和方向(見圖4)，實現(xiàn)超聲波波束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，提高缺陷的檢出率；并可以根據(jù)需要設置超聲波入射角度范圍，對常規(guī)超聲方法難以檢測的復雜結(jié)構(gòu)和受限區(qū)域進行檢測。

表1 密封瓦燕尾槽超聲相控陣與常規(guī)無損檢測方法的特點比較

圖4 超聲相控陣聲束聚焦原理示意

密封瓦合金層檢測時可以利用超聲相控陣的聚焦功能，使用線陣探頭，對結(jié)合面C，D深度位置進行聚焦，實現(xiàn)該區(qū)域的掃查檢測。超聲波聲束由巴氏合金層進入銅基體，在合金層與銅基體界面(B，E結(jié)合面)發(fā)生透射與反射，一次反射回波被探頭接收形成一次界面波圖像；一次透射波穿過銅基體，并在銅基體與合金層的界面(C，D結(jié)合面)再次發(fā)生透射與反射，二次反射回波形成二次界面波圖像，二次透射波最終到達底面，形成底面回波圖像。超聲相控陣探頭在C,D結(jié)合面的掃查示意如圖5所示，圖中左側(cè)為未脫黏區(qū)域，右側(cè)為二次界面脫黏區(qū)域。

圖5 超聲相控陣探頭在C，D結(jié)合面的掃查示意

3 檢測工藝

3.1 檢測條件

針對密封瓦燕尾槽合金層的特殊結(jié)構(gòu)，基于巴氏合金聲程衰減較小的特點，為了降低脈沖寬度，減小盲區(qū)的干擾，提高檢測靈敏度，應盡可能采用頻率較高的探頭。另外，適當提高儀器電壓也可起到提高檢測靈敏度[5]的目的。儀器主要配置參數(shù)如表2所示。

表2 超聲相控陣試驗儀器配置參數(shù)

3.2 檢測靈敏度

使用ZW-I試塊校準相控陣儀器的A掃描水平線性[6]，并對合金層厚度為3 mm的試塊進行掃查，以脫黏位置能出現(xiàn)清晰的4次回波，并提高6 dB作為掃查靈敏度[7-8]。

3.3 對比試塊

選用標準DL/T 297-2011《汽輪發(fā)電機合金軸瓦超聲波檢測》中軸瓦ZW-I與密封瓦人工缺陷兩種對比試塊。

(1) 由于ZW-I對比試塊與被檢密封瓦的合金層材料相同，所以ZW-I可作為密封瓦一次界面脫黏缺陷的對比試塊。

圖6 密封瓦本體人工脫黏缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意

(2) 在密封瓦本體上加工脫黏缺陷，試塊結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。其中,紅色區(qū)域為人工脫黏缺陷，甲側(cè)位置用來模擬B，E，F(xiàn)，G，H面厚3 mm的一次界面脫黏缺陷，乙側(cè)位置可以用來模擬C，D面厚12 mm的二次界面脫黏缺陷。

4 波形分析

(1) 圖7為密封瓦試塊3 mm厚合金層界面(即B,E,F,G,H位置)的相控陣掃查結(jié)果，對比脫黏與未脫黏的波形可知，脫黏層可通過聲束聚焦直接檢測，脫黏位置存在多次底波反射，回波顯示間距相等并呈指數(shù)衰減，在S掃描中呈現(xiàn)由黃色向藍色過渡的特點。圖8為ZW-I試塊3 mm厚合金層界面的S掃結(jié)果，通過對比圖7與圖8可以看出，其脫黏圖形幾乎與密封瓦3 mm厚合金層的脫黏圖形一致。

圖7 密封瓦試塊3 mm厚合金層界面(B、E、F、G、H位置)S掃查結(jié)果

圖8 ZW-I試塊3 mm厚合金層界面的S掃查結(jié)果

圖9 密封瓦試塊C，D位置人工缺陷S掃查結(jié)果

(2) 圖9為12 mm厚合金層界面(即C，D位置)的S掃查結(jié)果，對比脫黏與未脫黏的圖形可知，未脫黏區(qū)域一次聲程范圍內(nèi)存在3個回波，分別為一次界面波、二次界面波和底面反射波；當掃查至脫黏區(qū)域，底波反射逐漸減弱，一次聲程范圍內(nèi)回波位置與數(shù)量發(fā)生變化，脫黏時的二次界面回波受脫黏缺陷的影響，近乎底波反射，反射聲壓增強，在S掃描中呈現(xiàn)逐漸變亮、變紅的趨勢。

5 結(jié)果驗證

選擇密封瓦模擬脫黏試塊，將相控陣探頭置于對比試塊脫黏層上方，如圖6(甲側(cè))所示。利用脫黏層一次與二次回波校準儀器，從而得到復合層巴氏合金聲速為3 846m·s-1。

由于巴氏合金與銅基體是兩種不同的金屬材料，其聲速差異較大[9]，將探頭置于密封瓦汽側(cè)，如圖6(丙側(cè))所示，在一次聲程范圍內(nèi)存在3個反射回波，如圖9(a)所示。由于聲速是物體的固有屬性，若由回波1處聲壓和回波2處聲壓求得的聲速c巴與巴(巴為實測巴氏合金聲束，c巴為計算的巴氏聲速)相等，則可以證明回波一為巴氏合金層與銅基體的一次界面回波，驗證了波形分析的結(jié)果。

當儀器的垂直線性良好時，示波屏上的波高與聲壓成正比[10]，即

HA/HB=PA/PB=1.23

(1)

式中：HA為A界面示波屏上的反射波高；HB為B界面示波屏上的反射波高；PA為A界面的回波聲壓；PB為B界面的回波聲壓。

復合層巴氏合金聲阻抗Z巴小于銅基體的聲阻抗Z銅，在一次界面處，超聲波由巴氏合金層向銅基體傳播，反射聲壓P0rA(rA為A界面的聲壓反射率)與入射聲壓P0同相位，界面A處反射波與入射波疊加,合成聲壓為P0+P0rA，PA的表達式為

(2)

在二次界面處，超聲波由銅基體向巴氏合金層傳播，反射波聲壓P0tArB與入射波聲壓P0tA相位相反，反射波與入射波合成聲壓減小，合成聲壓PB的表達式為

(3)

式中：tA為A界面的聲壓透射率；rB為B界面的聲壓反射率。

銅基體的聲阻抗Z銅與巴氏合金復合層聲阻抗Z巴分別為

Z銅=ρ銅c銅

(4)

Z巴=ρ巴c巴

(5)

式中：ρ銅為銅的密度；c銅為銅的聲速；ρ巴為巴氏合金的密度。

已知ρ銅=8.9 g·cm-3，c銅=4 700 m·s-1，ρ巴=7.38 g·cm-3，將式(4)與式(5)代入式(2)與式(3)，聯(lián)立式(1)，(2)，(3)，得到c巴=3 882 m·s-1?？紤]到超聲波傳播過程中的衰減與測量誤差，可認為c巴與巴近似相等。

另外，基于計算結(jié)果，一次界面和二次界面的聲壓往復透射率為

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可知，一次界面與二次界面的聲壓往復透射率較大，由于聲壓往復透射率的高低直接影響檢測靈敏度的高低，且往復透射率越高，檢測靈敏度越高。

6 結(jié)論

密封瓦燕尾槽B，C，D，E，F(xiàn)，G，H位置的脫黏缺陷均可通過超聲相控陣檢測達到檢測的目的，且可得到比常規(guī)A掃描更加清晰直觀的掃查顯示；在常規(guī)A掃描無法分辨波形的情況下，通過超聲相控陣可提高檢測靈敏度，改善信噪比，提高脫黏缺陷的檢出率。