張華宇，魏曉壯，張 鑫，謝鳳芹，周彥龍

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山機(jī)械工程山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590；3.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，青島 266590；4.山東科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片在運(yùn)行中受到復(fù)雜工作環(huán)境的影響，其表面會(huì)產(chǎn)生裂紋、腐蝕等缺陷。表面缺陷最終會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂，造成整級(jí)葉片的報(bào)廢，危及機(jī)組的運(yùn)行安全[1-2]。

針對(duì)汽輪機(jī)葉片的葉身部位，目前常用的檢測(cè)方法有液體滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、常規(guī)超聲檢測(cè)、相控陣超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)和金屬磁記憶檢測(cè)等。ZHANG等[3]使用柔性渦流陣列探頭與笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人相結(jié)合的方法對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片缺陷進(jìn)行了掃描成像。郭德瑞[4]根據(jù)汽輪機(jī)葉片和葉根槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用陣列渦流技術(shù)，使用專用的柔性陣列探頭和仿形陣列探頭，提高了汽輪機(jī)葉片的檢測(cè)效率和可靠性。

筆者采用手持式渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)汽輪機(jī)葉片葉身缺陷。以2Cr12NiMoWV不銹鋼為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了手持式渦流探頭，針對(duì)同寬不同深和同深不同寬的人工缺陷進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究。研究結(jié)果將為后續(xù)手持式渦流傳感器對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件的在線無(wú)損檢測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 探頭支撐結(jié)構(gòu)

手持式渦流探頭主要由手持部件、線圈支架和支撐輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中檢測(cè)線圈的漆包線纏繞在線圈支架上，線圈半徑為r。支撐輪可以方便檢測(cè)部件在被測(cè)試件表面移動(dòng)，并保證檢測(cè)線圈與被測(cè)表面提離在檢測(cè)過(guò)程中保持不變，支撐輪半徑為R。

圖1 手持式渦流探頭結(jié)構(gòu)示意

檢測(cè)線圈是渦流檢測(cè)傳感器的重要組成部分。線圈除了具有電感外，其導(dǎo)線中存在電阻，各匝線圈之間存在耦合電容，從理論上來(lái)說(shuō)，線圈可以用有電感、電阻和電容串聯(lián)的電路來(lái)表示，由于線圈之間的分布電容通常比較小，所以在實(shí)際情況中，忽略線圈間的分布電容[5]。

結(jié)合文獻(xiàn)[6]可知，傳感器檢測(cè)線圈的電感L如式(1)所示。

L=f(x,ρ,μ,ω)

(1)

式中：x為傳感器檢測(cè)線圈和目標(biāo)之間的提離間隙；ρ為目標(biāo)的電阻率；μ為目標(biāo)的磁導(dǎo)率；ω為傳感器檢測(cè)線圈中電流的角頻率。

當(dāng)被測(cè)試件選定后，ρ和μ的值就已經(jīng)確定了。當(dāng)調(diào)理電路確定后，ω的值也就確定了。此時(shí)等效電感就只與提離距離有關(guān)。

L=f(x)

(2)

由圖1可知，檢測(cè)線圈與被測(cè)物體之間的x為

x=R-r

(3)

由式(2)和(3)可知，當(dāng)此手持裝置制作完成之后，即檢測(cè)線圈半徑和支撐輪半徑都已確定后，在檢測(cè)過(guò)程中，探頭只有經(jīng)過(guò)被測(cè)物體存在缺陷的地方時(shí)，電感才會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

2 檢測(cè)線圈的電磁仿真

為了方便檢測(cè)線圈的電磁仿真以及后續(xù)檢測(cè)結(jié)果的標(biāo)定，利用電火花線切割加工了兩個(gè)人工缺陷試件。試件的材料為2Cr12NiMoWV不銹鋼。其中，1#被測(cè)試件上有等深不等寬的人工缺陷，2#被測(cè)試件上有等寬不等深的人工缺陷，其具體尺寸如圖2所示。3#為無(wú)缺陷的被測(cè)試件，無(wú)缺陷被測(cè)試件的尺寸為100 mm×30 mm×16 mm(長(zhǎng)×寬×高)。采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)上述3種類型的被測(cè)試件進(jìn)行電磁仿真(見(jiàn)圖3)。

圖2 被測(cè)試件上的人工缺陷尺寸示意

圖3 COMSOL Multiphysics軟件中檢測(cè)線圈和被測(cè)試件的幾何模型

檢測(cè)線圈模型是10 mm寬的空心圓柱體，內(nèi)徑為5 mm，外徑為6 mm?？諝庥蜷L(zhǎng)為150 mm，寬為50 mm，高為50 mm。被測(cè)試件域的材料是2Cr12NiMoWV不銹鋼，檢測(cè)線圈域的材料是銅，其他域是空氣。2Cr12NiMoWV不銹鋼的電導(dǎo)率為1.64×106S·m-1，銅的電導(dǎo)率為5.998×107S·m-1。

在COMSOL Multiphysics軟件的AC/DC(交流電/直流電)模塊物理場(chǎng)中添加線圈用以模擬檢測(cè)線圈，線圈匝數(shù)為120匝，電流為4.4×10-5A。對(duì)檢測(cè)線圈網(wǎng)格劃分進(jìn)行極細(xì)化處理。檢測(cè)線圈域和被測(cè)試件域網(wǎng)格劃分如圖4所示。所有模型均在1 MHz頻率下進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)容差為0.001。

圖4 檢測(cè)線圈域及被測(cè)試件域網(wǎng)格劃分示意

d為仿真中檢測(cè)線圈在被測(cè)試件表面的位移，設(shè)置參數(shù)化掃描d的初始值為0 mm，步長(zhǎng)為2 mm，最終值為70 mm[7]。起始位置d0=16 mm，探頭移動(dòng)方向如圖3中箭頭所示。在結(jié)果節(jié)點(diǎn)下選擇派生值進(jìn)行全局計(jì)算，將形成的表格分別導(dǎo)出。

3個(gè)(2個(gè)有缺陷試件和1個(gè)完好試件)被測(cè)試件中電感在掃描方向上的變化如圖5所示。從圖5可以看出：對(duì)于1#和2#被測(cè)試件，檢測(cè)線圈在缺陷處的電感都有較大突變；在3#被測(cè)試件的結(jié)果曲線中，曲線上沒(méi)有明顯的峰值突變。

圖5 檢測(cè)線圈電感隨d的變化曲線

為了進(jìn)一步了解缺陷寬度以及深度對(duì)檢測(cè)線圈電感的影響，求解了缺陷導(dǎo)致的電感增量以及缺陷寬度或深度每增加0.01 mm導(dǎo)致的電感變化量。與3#被測(cè)試件相比，在1#被測(cè)試件的電感變化曲線中，當(dāng)d=14 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量為2.591 63×10-7H；當(dāng)d=34 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量為2.672 13×10-7H；當(dāng)d=54 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量為2.715 66×10-7H。與3#被測(cè)試件相比，在2#被測(cè)試件的電感變化曲線中，當(dāng)d=14 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量為1.198 83×10-7H；當(dāng)d=34 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量為2.609 32×10-7H；當(dāng)d=54 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量為4.393 36×10-7H。對(duì)于1#被測(cè)試件，檢測(cè)線圈電感的增量(有、無(wú)缺陷的檢測(cè)信號(hào)的差異)和缺陷寬度之間的關(guān)系近似線性(線性相關(guān)系數(shù)為0.985 513)，故缺陷寬度每增加0.01 mm，引起的檢測(cè)線圈電感增量為4.13×10-10H。對(duì)于2#被測(cè)試件，檢測(cè)線圈電感的增量和缺陷深度之間的關(guān)系近似線性(線性相關(guān)系數(shù)為0.992 48)，故缺陷深度每增加0.01 mm，引起的檢測(cè)線圈電感增量為2.303×10-9H。由此可見(jiàn)，缺陷深度變化引起的檢測(cè)線圈電感變化要比缺陷寬度變化引起的檢測(cè)線圈的電感變化明顯。

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

3.1 人工缺陷試件試驗(yàn)

渦流檢測(cè)系統(tǒng)包括手持式探頭、被測(cè)試件、TH2817B型數(shù)字電橋、LDC1614型電路板，以及一臺(tái)帶有信號(hào)處理軟件的計(jì)算機(jī)等，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物

檢測(cè)線圈手工繞制在線圈支架上，其諧振頻率為840 kHz。設(shè)計(jì)檢測(cè)線圈的電感由數(shù)字電橋確定。檢測(cè)線圈在3個(gè)試件表面連續(xù)采樣100個(gè)點(diǎn)的電感變化曲線如圖7所示。

圖7 檢測(cè)線圈在各個(gè)被測(cè)試件表面連續(xù)采樣100個(gè)點(diǎn)的電感變化曲線

從圖7可以看出，缺陷深度變化引起的電感變化要比缺陷寬度變化引起的電感變化明顯。在1#被測(cè)試件的曲線中存在3個(gè)峰值，其所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線圈電感分別為1.909 075 6×10-4，1.909 189 2×10-4，1.909 549 1×10-4H。在2#被測(cè)試件的曲線中也存在3個(gè)峰值，其所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線圈電感分別約為1.907 414 7×10-4，1.908 838 2×10-4，1.912 315 0×10-4H。最后對(duì)3#被測(cè)試件的數(shù)據(jù)求均值，可得檢測(cè)線圈電感均值約為1.905 544 7×10-4H。針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求解了缺陷引起的電感增量以及缺陷寬度或深度每增加0.01 mm引起的電感變化量。在1#被測(cè)試件的曲線中，當(dāng)缺陷寬度為0.15 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量約為3.530 90×10-7H；當(dāng)缺陷寬度為0.30 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量約為3.644 50×10-7H；當(dāng)缺陷寬度為0.45 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量約為4.004 40×10-7H。在2#被測(cè)試件的結(jié)果曲線中，當(dāng)缺陷深度為0.5 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量約為1.870 00×10-7H；當(dāng)缺陷深度為1 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量約為3.293 50×10-7H；當(dāng)缺陷深度為2 mm時(shí)，缺陷引起的檢測(cè)線圈電感增量約為6.770 30×10-7H。對(duì)于1#被測(cè)試件，檢測(cè)線圈電感增量和缺陷寬度之間的關(guān)系也是近似線性(線性相關(guān)系數(shù)為0.957 742)，故缺陷寬度每增加0.01 mm，引起的檢測(cè)線圈電感增量約為1.578×10-9H。對(duì)于2#被測(cè)試件，檢測(cè)線圈電感的增量和缺陷深度之間的關(guān)系也是近似線性(線性相關(guān)系數(shù)為0.998 885)，故缺陷深度每增加0.01 mm，引起的檢測(cè)線圈電感增量約為3.162×10-9H。因此，相對(duì)于缺陷寬度的變化，該裝置對(duì)于缺陷深度的變化具有更高的靈敏度。

對(duì)比圖5和圖7可以看出，仿真和試驗(yàn)中由缺陷引起的檢測(cè)線圈電感的變化具有相同的趨勢(shì)。

3.2 汽輪機(jī)葉片試驗(yàn)

汽輪機(jī)葉片上的人工缺陷位置示意如圖8所示，采用手持式渦流探頭對(duì)人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)。其中1，2，3處人工缺陷的深度相同，都為1 mm，其寬度依次為0.2，0.4，0.6 mm；4，5，6處的人工缺陷的寬度相同，都為0.2 mm，其深度依次為0.5，1，1.5 mm。檢測(cè)線圈沿著圖8箭頭所示方向，在汽輪機(jī)葉片表面連續(xù)采樣350個(gè)點(diǎn)的電感變化曲線如圖9所示。

圖8 汽輪機(jī)葉片上的人工缺陷位置示意

圖9 檢測(cè)線圈在汽輪機(jī)葉片表面連續(xù)采樣350個(gè)點(diǎn)的電感變化曲線

由圖9可以看出，在汽輪機(jī)葉片檢測(cè)中，缺陷深度引起的檢測(cè)線圈電感峰值變化符合第2節(jié)的仿真(見(jiàn)圖5)及3.1節(jié)(見(jiàn)圖7)得到的結(jié)論。對(duì)于表面缺陷，隨著缺陷深度的增加，檢測(cè)線圈電感峰值增加。這是由于被測(cè)試件軸向的渦流強(qiáng)度呈指數(shù)下降，表面缺陷越深，在缺陷處的電流強(qiáng)度越弱，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)越弱，檢測(cè)電感信號(hào)越強(qiáng)，然而，檢測(cè)線圈電感峰值隨著缺陷寬度的變化先增后減，其結(jié)果與前面所得結(jié)論相矛盾。造成該現(xiàn)象的原因是被檢測(cè)的汽輪機(jī)葉片屬于變截面葉片，由于截面的變化對(duì)電感峰值的影響相對(duì)于缺陷寬度對(duì)電感峰值的影響不可忽略，所以采用該手持式渦流檢測(cè)設(shè)備無(wú)法得出缺陷寬度對(duì)電感峰值的影響，進(jìn)而不能實(shí)現(xiàn)缺陷寬度的定量檢測(cè)，但是通過(guò)檢測(cè)線圈電感的變化能夠?qū)崿F(xiàn)汽輪機(jī)表面缺陷寬度的定性判斷和深度的定量檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了一種手持式渦流探頭裝置對(duì)汽輪機(jī)葉片裂紋的檢測(cè)性能。由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知，該檢測(cè)線圈的電感對(duì)于缺陷的深度變化相對(duì)于缺陷的寬度而言有較明顯的峰值變化，并可建立缺陷深度變化引起的電感變化的模型。在變截面汽輪機(jī)葉片缺陷寬度的檢測(cè)中，由于截面的變化對(duì)電感峰值的影響相對(duì)于缺陷寬度對(duì)電感峰值的影響不可忽略，故無(wú)法得出缺陷寬度對(duì)檢測(cè)線圈電感峰值的影響，但通過(guò)檢測(cè)線圈電感的變化能夠檢測(cè)出不同寬度的缺陷。