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        核電廠低壓缸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的滲透檢測(cè)

        2021-03-01 00:41:16斐,朋,
        無(wú)損檢測(cè) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:核電廠汽輪機(jī)合金

        陳 斐, 李 朋, 李 鑫

        (中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司浙江分公司, 嘉興 314330)

        核電廠的汽輪機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的核心部件,而汽輪機(jī)的核心部件是轉(zhuǎn)子葉片。國(guó)內(nèi)某核電廠機(jī)組正常運(yùn)行期間,發(fā)生了低壓缸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(動(dòng)葉片)斷裂事件(斷裂處為司太立合金退刀槽與母材結(jié)合處),導(dǎo)致機(jī)組非正常停機(jī),嚴(yán)重影響其安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。在隨后開展的針對(duì)低壓缸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的小修過(guò)程中,檢測(cè)出一定數(shù)量的裂紋缺陷,同時(shí),電廠對(duì)其它機(jī)組開展了同樣的小修,也檢測(cè)出了一定數(shù)量的裂紋缺陷。電廠及時(shí)更換了這些有缺陷的葉片,保證了核電廠的安全運(yùn)行。文章將分析如何對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行滲透檢測(cè)。

        1 低壓缸轉(zhuǎn)子葉片工況分析

        該廠所使用的汽輪機(jī)為多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī),由于其運(yùn)行時(shí)工況復(fù)雜,所以轉(zhuǎn)子葉片承受的應(yīng)力也很復(fù)雜。在變工況運(yùn)行的情況下,當(dāng)蒸汽溫度降低時(shí),末幾級(jí)葉片的蒸汽濕度增加,加劇了末幾級(jí)動(dòng)葉片的水滴沖蝕,縮短了葉片的使用壽命。

        轉(zhuǎn)子葉片是完成蒸汽能量轉(zhuǎn)換的重要部件,工作時(shí)處在高溫、高轉(zhuǎn)速、高氣流沖擊的嚴(yán)峻條件下,因此,轉(zhuǎn)子葉片是關(guān)系到汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性的重要部件。

        汽輪機(jī)工作時(shí),葉片上受到的作用力主要有2種,一種是在其高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力,離心力又分為離心拉應(yīng)力和離心彎應(yīng)力;另一種是在氣流的作用下產(chǎn)生的氣流力,氣流力又分為氣流彎應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力。葉片在受到離心拉應(yīng)力、離心彎應(yīng)力和氣流彎應(yīng)力的作用下,會(huì)在原平衡位置附近發(fā)生自由振動(dòng),此時(shí)的振動(dòng)頻率稱為自振頻率;葉片在受到動(dòng)應(yīng)力(周期性外力,也稱為激振力)的作用下,會(huì)按激振力的頻率振動(dòng),即發(fā)生受迫振動(dòng),此時(shí)的振動(dòng)頻率稱為激振頻率。當(dāng)葉片的自振頻率與激振頻率相等或成整數(shù)倍時(shí),葉片會(huì)發(fā)生共振,振幅和振動(dòng)應(yīng)力急劇增加,極易引起葉片的疲勞損壞。若葉片斷裂,其碎片可能將相鄰葉片及后級(jí)的葉片打壞,還會(huì)使轉(zhuǎn)子失去平衡,引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng),造成嚴(yán)重的后果[1]。核電廠在該理論的基礎(chǔ)上將次末級(jí)(第6級(jí))葉片全部更換為帶凸臺(tái)連接的新型葉片(避免共振),在之后的機(jī)組運(yùn)行中,未再發(fā)生葉片斷裂事件。在之后的多次大修中,葉片上也均未檢測(cè)出任何缺陷。

        基于對(duì)葉片工況及所受應(yīng)力的分析,將低壓缸汽輪機(jī)葉片的滲透檢測(cè)區(qū)域確定為末三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片,檢測(cè)范圍包括末三級(jí)動(dòng)葉片葉身、葉根及兩側(cè)端面,司太立合金、司太立合金退刀槽部位與母材結(jié)合處,葉片受檢部位如圖1所示。

        圖1 葉片受檢部位示意

        2 滲透檢測(cè)基本原理

        滲透檢測(cè)的工作原理為,工件表面被施涂含有熒光染料或者著色染料的滲透劑后,在毛細(xì)作用下,經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間,滲透劑滲入表面開口的缺陷中;去除工件表面多余的滲透劑,經(jīng)過(guò)干燥后,再在工件表面施涂吸附介質(zhì)(顯像劑),同樣在毛細(xì)作用下,顯像劑將吸出缺陷中的滲透劑,在合適的光源下,缺陷處的滲透劑痕跡被顯示出來(lái),從而探測(cè)出缺陷的形貌及分布狀態(tài)[2]。

        3 葉片的滲透檢測(cè)

        采用溶劑去除型滲透法對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行滲透檢測(cè)。這種滲透檢測(cè)方法相對(duì)于水洗型(靈敏度低、操作簡(jiǎn)單)和后乳化型(靈敏度高、操作繁瑣),具有靈敏度高和操作簡(jiǎn)便的雙重優(yōu)點(diǎn),既保證了葉片缺陷的檢出率,又有效縮短了核電廠大修的工期。

        核電站現(xiàn)場(chǎng)滲透檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)如下所述。

        (1) 對(duì)表面開口缺陷的檢測(cè)靈敏度高,高靈敏度的滲透檢測(cè)可以清晰地顯示寬度約為0.5 μm,深度約為10 μm,長(zhǎng)約為1 mm的微裂紋。

        (2) 檢測(cè)效率高,一次操作即可檢出多個(gè)方向的缺陷。

        (3) 檢測(cè)不受工件形狀、尺寸以及場(chǎng)地的限制。

        (4) 滲透檢測(cè)能夠探測(cè)的典型缺陷包括裂紋、裂縫、折迭、冷隔等。

        NB/T 47013.5-2015規(guī)定整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中,在10 ℃~50 ℃的溫度條件下,滲透時(shí)間一般不應(yīng)少于10 min;顯像時(shí)間取決于顯像劑的種類、需要檢測(cè)的缺陷大小以及被檢工件的溫度等,一般應(yīng)不小于10 min,且不大于60 min。

        依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn),在相同的環(huán)境(溫度為13 ℃,照度為1 365 lx)下,同時(shí)對(duì)葉片已知缺陷部位和B型試塊實(shí)施滲透檢測(cè)。滲透時(shí)間為20 min,顯像時(shí)間為15 min,并未檢測(cè)出葉片根部端面細(xì)小的已知缺陷,而B型試塊靈敏度驗(yàn)證為C級(jí)高靈敏度。

        筆者分析認(rèn)為有以下2種原因?qū)е乱阎募?xì)小缺陷未能檢出。

        (1) 葉片在飽和蒸汽工況下運(yùn)行,蒸汽會(huì)進(jìn)入缺陷內(nèi)部凝結(jié)成水;核電廠地處杭州灣區(qū),此地區(qū)海水渾濁,雖經(jīng)過(guò)廠內(nèi)處理,但仍有少量碎砂殘留其中,這些碎砂會(huì)進(jìn)入缺陷。以上污染物(海水和碎砂)會(huì)阻礙滲透液濕潤(rùn)和進(jìn)入缺陷,海水還會(huì)與滲透液中的乳化劑相結(jié)合,降低滲透液的性能。

        (2) 13 ℃的溫度相對(duì)于滲透檢測(cè)而言偏低,低溫會(huì)使?jié)B透液變粘稠,影響滲透速率,進(jìn)而影響滲透時(shí)間。

        從分析的情況來(lái)看,只有適當(dāng)延長(zhǎng)滲透時(shí)間和顯像時(shí)間,增強(qiáng)滲透效果和顯像效果,才會(huì)得到更好的檢測(cè)結(jié)果。因此在檢測(cè)時(shí),增加了滲透液的停留時(shí)間,提高顯像時(shí)間至30 min,結(jié)果葉片根部的細(xì)小裂紋被成功檢出。

        4 工藝改進(jìn)

        更長(zhǎng)的滲透時(shí)間可以得到更好的檢測(cè)效果,但是檢測(cè)過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響到工作效率,達(dá)不到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。為了既能檢測(cè)出葉片上的細(xì)小缺陷保證檢出率,又能提高工作效率,采用比較法對(duì)已知缺陷的葉片反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。將基準(zhǔn)滲透時(shí)間定為20 min,每一組試驗(yàn)滲透時(shí)間相差10 min;將基準(zhǔn)顯像時(shí)間定為10 min,每一組試驗(yàn)顯像時(shí)間相差5 min,最大顯像時(shí)間不能超過(guò)30 min。葉片的滲透、顯像時(shí)間及檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

        由表1數(shù)據(jù)可知,當(dāng)滲透時(shí)間選擇為60 min及以上,顯像時(shí)間選擇為30 min時(shí),檢測(cè)效果最佳。綜合考慮工作效率等因素,最終滲透時(shí)間定為60 min,顯像時(shí)間定為30 min。司太立合金處的細(xì)小缺陷如圖2所示,葉片端面處的細(xì)小缺陷如圖3所示。

        表1 葉片的滲透、顯像時(shí)間及檢測(cè)結(jié)果

        圖2 司太立合金處細(xì)小缺陷顯示

        圖3 葉片端面處細(xì)小缺陷顯示

        經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定的最佳滲透時(shí)間及顯像時(shí)間方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)有同種機(jī)型的核電廠。在某核電廠采用該方案進(jìn)行滲透檢測(cè)時(shí)(滲透時(shí)間為60 min,顯像時(shí)間為30 min),檢測(cè)出大量葉片缺陷。部分典型缺陷如圖所示,其中,司太立合金處裂紋缺陷如圖4所示;司太立合金與母材結(jié)合處裂紋缺陷如圖5所示;葉片端面處裂紋缺陷如圖6所示。

        圖4 司太立合金處裂紋缺陷顯示

        圖5 司太立合金與母材結(jié)合處裂紋缺陷顯示

        圖6 葉片端面處裂紋缺陷顯示

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)了解葉片的結(jié)構(gòu)、工況及運(yùn)行期間的受力情況等,分析了葉片缺陷在常規(guī)滲透時(shí)間及顯像時(shí)間下不能被完全檢出的原因。采用比較試驗(yàn)法,得出了檢測(cè)葉片的最佳滲透時(shí)間和顯像時(shí)間,確定了最優(yōu)的滲透檢測(cè)工藝,即保證了缺陷檢出率,又提高了工作效率,為核電廠大修節(jié)省了時(shí)間。

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