李東江，王 鵬，蔡 暉，王志強

汽輪機轉子反T型葉根槽裂紋超聲檢測

李東江，王 鵬，蔡 暉，王志強

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

反T型葉根槽是汽輪機轉子的關鍵部件，在長期運行和頻繁啟停過程中，倒角R處易產(chǎn)生疲勞裂紋而引發(fā)事故，而該處裂紋的檢測較為困難。本文采用超聲脈沖反射法進行裂紋檢測，首先分析了A型脈沖反射法超聲檢測的原理；然后采用某汽輪機轉子反T型葉根槽實物為檢測試塊，在端壁倒角（F1區(qū)）、外包倒角（F2區(qū)）處線切割預制4種深度人工裂紋，采用橫波、縱波、表面波3種波形進行裂紋檢測試驗；最后得出A型脈沖反射法超聲橫波可以有效檢測反T型葉根槽倒角R處不小于0.2 mm的深裂紋，并對檢測中應注意問題進行了說明。

汽輪機轉子；反T型葉根槽；裂紋；脈沖反射法；超聲檢測

裂紋是高溫、高壓、高轉速設備危害性極大的缺陷，會直接減弱部件承載能力。疲勞損傷裂紋導致設備開裂是導致汽輪機轉子葉輪、葉根槽和葉片等重要部件的主要失效原因之一[1]。自20世紀70年代以來，我國已發(fā)生多起由于葉根槽裂紋開裂導致設備故障的重大安全事故[2-4]。汽輪機轉子葉輪在長期運行和頻繁啟停過程中，其反T型葉根槽倒角R處易產(chǎn)生疲勞裂紋，進而引發(fā)斷裂等惡性安全事故[5]。因此，汽輪機轉子反T型葉根槽倒角R處裂紋的檢測對于電廠安全穩(wěn)定運行具有重要的工程價值。

在對汽輪機轉子反T型葉根槽的定期檢查過程中，為避免反復拆卸對轉子各部件表面及其配合精度造成二次損傷，一般采用無損檢測方法。事實證明，超聲檢測技術是無損檢測領域中較成熟且應用廣泛的檢測技術，具有靈敏度高、周期短、成本低、對人體無害等優(yōu)點[6]。超聲檢測是利用超聲波在工件內部的傳播特性進行工件損傷程度識別的無損檢測方法[7]。超聲波在穿透工件時會有能量的衰減，在遇到2種不同聲阻抗介質交界面時會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。根據(jù)該檢測原理，超聲檢測可分為脈沖反射法、衍射時差法、穿透法和共振法等[8]。根據(jù)汽輪機轉子反T型葉根槽裂紋的檢測要求，結合現(xiàn)場使用條件，本文選用A型脈沖反射法超聲檢測。

1 A型脈沖反射法超聲檢測

汽輪機轉子反T型葉根槽倒角R處出現(xiàn)疲勞裂紋時，損傷斷面出現(xiàn)基體和空氣的異質界面。根據(jù)超聲波反射原理，超聲波在不同聲阻抗的異質界面處會發(fā)生反射現(xiàn)象，尤其在固體與氣體交界面處，因聲阻抗差異極大，反射現(xiàn)象更加明顯[9]。

Ａ型脈沖反射法超聲檢測一般采用單發(fā)單收的探頭進行檢測，其檢測原理如圖１所示。由圖1可見：當工件中無缺陷時，超聲波在工件中傳播至底面才被反射回來，發(fā)射波Ｔ和底面反射回波Ｂ的波形信號在儀器屏幕上顯示如圖1a)所示；當工件中存在小于探頭晶片尺寸的缺陷時，超聲波部分聲束被缺陷反射，形成一個缺陷信號，其余超聲波繼續(xù)傳播至工件底面再被反射，顯示信號在發(fā)射波Ｔ和底面反射回波Ｂ之間會有一個缺陷反射回波Ｆ；當缺陷大小達到一定程度時，所有的超聲波都在缺陷處被反射，此時儀器屏幕顯示只有發(fā)射波Ｔ和缺陷波Ｆ無底波B的信號。根據(jù)顯示的缺陷回波位置坐標、波幅等指標，可判斷存在缺陷部位、缺陷大小等信息，從而實現(xiàn)缺陷檢測[10-13]。

圖1 Ａ型脈沖反射法超聲檢測原理

Ａ型脈沖反射法超聲檢測的重要指標有檢測靈敏度、缺陷分辨力、探頭近場區(qū)等。檢測靈敏度指儀器和探頭組合后檢測微小缺陷的能力，超聲檢測靈敏度為超聲波波長的50%，即可發(fā)現(xiàn)的最小缺陷長度為波長的50%。缺陷分辨力指可以區(qū)分2個相鄰缺陷的最小距離。近場區(qū)指探頭晶片鄰近區(qū)域，由于波的干涉，出現(xiàn)了聲壓不穩(wěn)定區(qū)域，存在聲壓的極大值和極小值。

Ａ型脈沖反射法超聲檢測缺陷定位精度高、靈敏度高，能在保證檢測靈敏度、缺陷分辨力的情況下減小探頭的近場區(qū)，在檢測過程中應根據(jù)實際情況選擇最佳參數(shù)，得到高質量的檢測結果。

2 反T型葉根槽超聲檢測試驗

2.1 檢測設備

數(shù)字化超聲檢測儀工作頻率為0.5～15.0 MHz，聲速范圍為100～20 000 m/s，動態(tài)范圍≥32 dB，分辨力＞40 dB。

探頭選用橫波5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）、5 MHz 5 mm×5 mm K0.8（39°）探頭，縱波2.5 MHz 5 mm×5 mm 11°、12°、13°探頭，表面波5 MHz 5 mm×5 mm 62°探頭。

2.2 檢測對象及檢測面

以某汽輪機轉子反T型葉根槽實物為檢測對象，其檢測部位如圖2所示。根據(jù)轉子的實際運行工況，結合受力分析[14]及現(xiàn)場開裂后的自然裂紋情況，將端壁倒角R處（F1區(qū)）、外包倒角R處（F2區(qū)）作為重點檢測區(qū)域。利用線切割分別在F1和F2處制作人工裂紋，長度均為20 mm，深度分別為0.2、0.5、1.0、2.0 m，裂紋角度與水平面成45°夾角。根據(jù)現(xiàn)場實際檢測條件，將反T型葉根槽試 件外表面的平面、斜面和側面上部作為探頭放置面。

圖2 汽輪機轉子反T型葉根槽檢測部位

2.3 檢測方法

2.3.1 F1處裂紋檢測

因裂紋位置F1在檢測工件內部，探頭放置位置均在檢測工件的外部，可采用橫波和縱波2種方法進行檢測。

1）位置檢測 檢測時將探頭放置在處略作前后移動進行掃查，識別此處缺陷回波。采用橫波法檢測，探頭折射角為45°，選用5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）探頭。采用F1處45°夾角、1 mm深人工裂紋反射回波，滿屏波高的80%為檢測靈敏度。

2）位置檢測 探頭放置在位置檢測F1處缺陷，采用縱波法檢測，經(jīng)計算探頭入射角度為12°，選用縱波2.5 MHz 5 mm×5 mm 11°、12°、13°探頭。以不同深度f1×6 mm通孔調整至滿屏的80%，再增益10 dB作為檢測靈敏度。

3）位置檢測 探頭放置在位置檢測F1處缺陷，采用橫波法檢測，經(jīng)計算探頭折射角度為39°，選用5 MHz 5 mm×5 mm K0.8（39°）探頭。以不同深度1×6 mm通孔調整至滿屏80%，然后增益10 dB為檢測靈敏度。

2.3.2F2處裂紋檢測

裂紋位置F2和探頭放置位置均在檢測對象的外部，可采用表面波和橫波2種方法進行檢測。

1）表面波檢測 采用5 MHz 5 mm×5 mm 62°表面波探頭檢測F2處裂紋，探頭可放置在檢測面3處，以無缺陷位置回波增益至滿屏的80%作為檢測靈敏度，根據(jù)F2處的回波波幅和回波位置綜合判斷是否存在缺陷。檢測時表面波探頭正對F2位置左右移動，對不同深度人工裂紋進行掃查。

2）橫波檢測 采用橫波檢測F2處裂紋時，探頭放置在位置，經(jīng)計算探頭折射角度為45°，選用5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）橫波探頭，根據(jù)回波位置進行缺陷判斷。以不同深度1×6 mm通孔調整至滿屏的80%，再增益10 dB為檢測靈敏度。

3 試驗結果分析

3.1 F1處裂紋檢測結果

3.1.1位置檢測結果

在位置采用橫波探頭對端壁倒角F1部位裂紋進行檢測，檢測結果見表1，回波波形如圖3所示。

表1 F1處裂紋位置檢測結果

Tab.1 The detection results of cracks at F1-A

圖3 0.5 mm深裂紋A位置檢測回波波形界面

由表1和圖3可見，4種深度分別為0.2、0.5、1.0、2.0 mm的人工裂紋回波波幅隨缺陷深度增加而增大，可清晰識別0.2 mm深裂紋和0.5 mm深的裂紋，回波十分明顯。

3.1.2位置檢測結果

在位置采用縱波探頭對端壁倒角F1部位裂紋進行檢測，檢測結果見表2。由表2可見，4種深度分別為0.2、0.5、1.0、2.0 mm的裂紋和無缺陷時波形圖均無法識別缺陷，顯示回波。

表2 F1處裂紋位置檢測結果

Tab.2 The detection results of crack at F1-B

3.1.3位置檢測結果

在位置采用橫波探頭對端壁倒角F1部位進行檢測，檢測結果見表3，回波波形如圖4所示。由表3和圖4可見：4種深度分別為0.2、0.5、1.0、2.0 mm人工裂紋和無缺陷時波形圖進行比較，當裂紋深度≤1.0 mm時，無法識別缺陷顯示回波；當裂紋深度為2.0 mm時，缺陷回波有雙峰顯示，可作為缺陷識別的參考。

3.2 F2處裂紋檢測

3.2.1 表面波檢測

F2處裂紋位置表面波檢測結果見表4，表面波檢測回波波形如圖5所示。

表3 F1處裂紋位置檢測結果

Tab.3 The detection results of crack at F1-C

圖4 2.0 mm深裂紋C位置檢測回波波形界面

Fig.4 The detection echo waveform interface of crack with depth of 2.0 mm at

表4 F2處裂紋位置表面波檢測結果

Tab.4 The detection results of crack at F2-A

由表4和圖5可見：裂紋深度為≥0.5 mm時可有效檢出，缺陷特征明顯；不同深度的裂紋與無缺陷時回波波幅、回波位置均出現(xiàn)明顯差異；裂紋的回波波幅一般高于無缺陷時的固有波幅高度，且裂紋越深，回波波幅越高，深度達到一定程度時，回波波幅基本不再增加；裂紋的回波位置比無缺陷時的固有波回波位置遠，且裂紋越深，回波位置越遠。

3.2.2橫波檢測

F2處裂紋位置橫波檢測結果見表5，0.5 mm深裂紋位置檢測回波波形如圖6所示。

表5 F2處裂紋位置橫波檢測結果

Tab.5 The detection results of transverse wave at F2-C

圖 60.5 mm深裂紋C位置檢測回波波形界面

由表5和圖6可見，裂紋缺陷深度為0.5 mm時可有效檢出，裂紋缺陷回波特征明顯。

4 結 論

本文利用超聲脈沖反射法原理，分別采用橫波、縱波和表面波3種方法對汽輪機轉子反T型葉根槽端壁倒角裂紋F1、外包倒角裂紋F2位置進行探測，得到以下結論。

1）針對端壁倒角裂紋F1，有效的檢測方法為檢測面位置，采用橫波5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）探頭，對不小于0.2 mm深的裂紋缺陷可明確檢出，裂紋缺陷回波明顯清晰。在實際應用中，端壁上倒角裂紋F1深度≥0.2 mm時，此檢測方法可準確判斷。

2）針對外包倒角裂紋F2，在檢測面的位置采用表面波探頭5 MHz 5 mm×5 mm 62°或在位置采用橫波探頭5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°），對不小于0.5 mm深的裂紋可明確檢出，裂紋缺陷回波明顯清晰。在實際應用中，外包倒角裂紋F2深度≥0.5 mm時，此檢測方法可準確判斷。

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Ultrasonic detection of cracks of anti T-root grooves in turbine rotor

LI Dongjiang, WANG Peng, CAI Hui, WANG Zhiqiang

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Anti T-root groove, as a key component of steam turbine rotor, easily generates fatigue cracks at R-chamfer during long-term operation and frequent start-up and shutdown, which usually causes accidents. However, the cracks at this position is difficult to be detected. To solve this problem, an ultrasonic pulse reflection method is adopted to detect the cracks at R-chamfer of the anti T-root groove. First of all, the principle of the ultrasonic testing with A-mode pulse reflection method is introduced. Then, by taking the anti T-root groove of rotor of a steam turbine as the test specimen, artificial simulated cracks with four depths are prefabricated by wire cutting method in end-wall chamfer (F1 area) and outsourcing chamfer (F2 area). Finally, the three waveforms, including the transverse wave, longitudinal wave and surface wave, are used to detect the cracks. The results show that, the transverse wave of A-type pulse can effectively detect the deep crack with depth larger than 0.2 mm in the root groove of anti-T type at R-chamfer. Additionally, the problems that should be noted during the detection are also presented.

steam turbine rotor, anti T-root groove, crack, pulse reflection method, ultrasonic detection

Development Fund for Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (TN-17-TYK07)

TG115

B

10.19666/j.rlfd.201904085

李東江, 王鵬, 蔡暉, 等. 汽輪機轉子反T型葉根槽裂紋超聲檢測[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 138-142. LI Dongjiang, WANG Peng, CAI Hui, et al. Ultrasonic detection of cracks of anti T-root grooves in turbine rotor[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 138-142.

2019-04-15

西安熱工研究院有限公司發(fā)展基金項目(TN-17-TYK07)

李東江(1985)，男，工程師，主要研究方向為火力發(fā)電廠金屬部件的無損檢測和金屬監(jiān)督檢驗，lidongjiang@tpri.com.cn。

（責任編輯 杜亞勤）