馮志源 王晗 宋艷艷 范沐旭 張濤 武剛

中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司先進耐火材料國家重點實驗室 河南洛陽471039

燃燒室是整個燃氣輪機所有部件中運行溫度最高的部件之一，工作環(huán)境極其惡劣。作為當前世界三大燃氣輪機制造商之一，西門子的E級和F級燃氣輪機的環(huán)形燃燒室都采用了陶瓷隔熱瓦塊來保護金屬殼體［1-2］。在使用過程中，陶瓷瓦塊不僅要承受長時間的高溫腐蝕，還需要承受巨大的熱應力和高溫氣流的沖刷。如果燃燒室眾多陶瓷瓦塊中有一塊因質(zhì)量問題出現(xiàn)局部剝落，將會在高速氣流作用下進入燃機透平，造成葉片損傷，導致巨大損失。因此，在陶瓷瓦塊使用前對其性能進行無損檢測和定量評估具有重要意義。

當前的無損檢測方法有聲頻法和聲速法等［3-5］，一般用于定性分析材料的內(nèi)部缺陷，很少用來判斷材料性能的優(yōu)劣。在本研究中，首先利用激振法測試了相同尺寸規(guī)格陶瓷瓦塊的彈性模量（記為E’），再按GB／T 30758—2014制樣檢測了瓦塊的彈性模量實側(cè)值（記為E），并對兩者進行數(shù)據(jù)擬合。在對E’測試時，其頻譜圖能夠直接判斷陶瓷瓦塊內(nèi)部是否有缺陷，實現(xiàn)無損檢測；同時，基于無機材料彈性模量與其力學性能和抗熱沖擊性能的對應關(guān)系［6］，通過該模型推算出的E值能夠定量評價陶瓷瓦塊的彈性模量。

1 測試原理

通過脈沖激振法測試彈性模量的原理是［7］：沖擊器敲擊合適幾何形狀的試樣后，測試試樣的彎曲共振頻率，彈性模量與試樣的固有頻率、試樣尺寸和質(zhì)量有關(guān)，在測出試樣的固有頻率后即可通過相關(guān)公式計算試樣的彈性模量。試樣的基頻振動見圖1［8］，L為試樣棒的長度，節(jié)點位置（振幅為0處）分別在試樣棒的0．224L和0．776L處。對于形狀復雜的試樣，當在試樣中心位置施加機械力作用后，中心位置和試樣的端部為反節(jié)點位置，此處試樣振幅最大，分別為非接觸測量時的振動激發(fā)點和頻率采集點。

圖1 基頻振動波形圖

基于上述原理測試試樣的彈性模量，圖2［7］示出了測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)。將試樣放置在支撐系統(tǒng)上，支撐點位于節(jié)點處，用沖擊器對試樣的敲擊位置進行敲打，在接收位置采集振動信號，通過分析轉(zhuǎn)換，輸出試樣的共振頻率，計算其彈性模量。

圖2 測試設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

2 試驗方案

2．1 無損檢測

通過分析整塊陶瓷瓦塊試樣測試過程中的頻譜圖變化，判斷試樣的內(nèi)部缺陷。

2．2 定量分析

（1）陶瓷瓦塊試樣共9組，每組3塊。在外弧形面上標記0～8共九個測試點，分布見圖3。以8為敲擊位置，在0～7位置接收頻率，每個位置采集3次，計算其平均值。比較9組試樣（編號分別為1＃～9＃）各接收點的頻率變化及穩(wěn)定情況，進而確定接收位置。再通過所確定的接收位置來接收試樣的振動信號，計算其彈性模量E’。

圖3 陶瓷瓦彈性模量測試點分布圖

（2）再將9組陶瓷瓦塊整磚試樣制成160 mm× 40 mm×30 mm的試樣，按GB／T 30758—2014測試彈性模量實測值E。

（3）對E’和E的值進行數(shù)據(jù)擬合，建立二者之間的定量關(guān)系，進而以激振法測試的彈性模量值計算材料的彈性模量。

3 結(jié)果與分析

3．1 彈性模量與無損測試

采用脈沖激振法測試材料的彈性模量。試樣受機械沖擊后處于振動狀態(tài)，隨著阻尼作用的發(fā)生，試樣振動衰減，當衰減至某一程度時試樣發(fā)生共振；但當試樣內(nèi)部存在缺陷時，在試樣受到機械沖擊后，缺陷部位對振動波的反射導致試樣難以產(chǎn)生共振，此即測試的基礎(chǔ)原理。如圖4所示，大多數(shù)試樣在敲擊過程中頻譜圖以主單峰顯示，極少部分試樣的頻譜圖呈多峰狀態(tài)，將頻譜圖呈多峰狀態(tài)的試樣切開后發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋缺陷。因此，在用脈沖激振法測試整磚的彈性模量時，可以根據(jù)頻譜圖判斷材料的內(nèi)部缺陷［9］。

圖4 整塊陶瓷瓦塊試樣頻譜圖

3．2 彈性模量與定量分析

不同接收位置的頻率數(shù)據(jù)見表1。由表1數(shù)據(jù)可知，在敲擊點8激發(fā)試樣振動，采集點1和點5的頻率值基本一致，其余接收點的頻率變化較大，可能是由于試樣形狀不規(guī)則所導致；且2、3、4端和0、7、6端存在滑軌凹槽設(shè)計，造成這些接收點的頻率差異較大。因此，敲擊點為8時，確定點1和點5為接收振動信號的位置較為合適。

表1 不同接收位置頻率

激振法測得瓦塊（位置8處敲擊，1、5處接收信號）的彈性模量E’和按GB／T 30758—2014實測的彈性模量E的數(shù)值見表2。表2中E’（位置1的E’與位置5的E’的平均值）和E的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見圖5。

表2 激振法與按標準方法實測的彈性模量

圖5 E’與E擬合圖

由表2可知，E’與E的數(shù)值相比，E’整體偏大，相差10%～15%。這可能是由于整磚試樣存在滑軌凹槽，對試樣的振動產(chǎn)生了一定影響，導致結(jié)果變化。從E’與E的擬合結(jié)果來看，二者呈線性相關(guān)，且決定系數(shù)R2高達0．992。

隨機挑選相同規(guī)格的陶瓷瓦塊，利用激振法計算其彈性模量數(shù)值，破壞瓦塊后再按國標檢測其彈性模量實測值。結(jié)果顯示，計算值與實測值之間的誤差小于5%，表明擬合效果很好，可將其應用于陶瓷瓦塊使用前的無損檢測。

4 結(jié)論

（1）整磚彈性模量測試過程中的頻譜圖可以實現(xiàn)對燃氣輪機陶瓷瓦塊內(nèi)部缺陷的無損判斷。

（2）在不破壞陶瓷瓦塊結(jié)構(gòu)的情況下，通過脈沖激振法測定瓦塊的彈性模量，再依據(jù)擬合公式可計算陶瓷瓦塊的彈性模量。