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。