文/J·Vrana，A·Zimmer，K·Bailey

譯/陽東?！の鏖T子中國有限公司

大型轉(zhuǎn)子鍛件超聲檢測技術(shù)的發(fā)展

文/J·Vrana，A·Zimmer，K·Bailey

譯/陽東海·西門子中國有限公司

目前，火力發(fā)電汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)大型轉(zhuǎn)子鍛件采用超聲探傷。幾十年前它們的探傷采用接觸式直探頭進(jìn)行手工探傷，隨著超聲探傷能力的不斷增強(qiáng)，斷裂力學(xué)計算水平的提高，汽輪機(jī)運作和檢測技術(shù)經(jīng)驗的積累，以及多角度檢測的應(yīng)用，設(shè)計工程師對檢測方式提出了以下要求。確定缺陷大小，提高最小檢測缺陷，引入角度掃描和發(fā)射/回收雙晶掃描，以及采用現(xiàn)代化的自動探傷設(shè)備。基于這些改變，全球范圍內(nèi)開始應(yīng)用基于模型來確定缺陷大小的技術(shù)（比如DGS曲線），以及現(xiàn)代超聲技術(shù)（比如相控陣）。

西門子能源生產(chǎn)各種發(fā)電及能源傳輸產(chǎn)品，包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)，及各自相應(yīng)的鍛件。本文介紹用于西門子生產(chǎn)的這類產(chǎn)品中所使用的大型轉(zhuǎn)子鍛件，及對其超聲檢測的要求（或技術(shù)規(guī)范）。

大型轉(zhuǎn)子鍛件超聲檢驗

1954年起，西門子內(nèi)部要求鍛件必須人工超聲檢測，至今仍在使用，如圖1所示。

圖1 人工超聲檢測

典型缺陷

超聲檢驗以電子信號的方式，顯示材料內(nèi)部潛在缺陷或其他不連續(xù)性，給材料科學(xué)家及工程師對關(guān)鍵部件質(zhì)量評估提供了一個新的方向。針對不同探頭和掃描參數(shù)，確定不同缺陷的相對可探測性變得重要起來。下面是鍛造和熱處理過程中經(jīng)常產(chǎn)生的典型缺陷。

⑴金屬夾雜。鍛件中最難探測的缺陷之一，其聲阻抗和基體材料的聲阻抗接近。因此，如果兩者之間沒有間隙來產(chǎn)生足夠的反射，金屬夾雜幾乎不會產(chǎn)生超聲反射。

⑵非金屬夾雜。通常缺陷為離散狀分布或云狀分布，非內(nèi)生夾雜物通常軸向和徑向超聲檢驗的可探測性都非常好。特別是因為鍛造工藝，它們的朝向通常平行于表面。

圖2 不能被徑向檢測探測出來的缺陷

圖3 探測偏心缺陷

⑶氫致白點。通常在晶界處形成，表現(xiàn)為多個隨機(jī)朝向的單個缺陷。隨機(jī)朝向的特點可能會導(dǎo)致檢測時，單個氫致白點沒有被檢測出來。不過由于它們通常多點形成，全部檢測不出來的機(jī)率非常小。

⑷二次縮孔。在鋼錠凝固過程中形成的裂縫，比如鍛造過程中在剪應(yīng)力最大的位置破裂，或加熱太快導(dǎo)致的撕裂。如果鍛造工藝過程是均勻的，這些缺陷通常位于中心。因此徑向掃查可以探測到這些缺陷，但由于這類缺陷表面相對于超聲脈沖的波長通常是粗糙的，需考慮回波散射，使得確定缺陷大小有困難。然而這個探測方法的缺點可以通過觀察背反射波幅突降等方式克服。

⑸淬火裂紋。淬火時形成，始于工件表面，向內(nèi)生長。因此，最佳UT檢測方法是使用橫波或表面波。

帶角度的缺陷

盡管大部分典型的缺陷能被徑向檢測探測出來，但也有缺陷朝向不垂直于任何掃查波束位置的情況，此時底波降低甚至底波消失，如圖2所示。當(dāng)探頭移動到非正對缺陷后，才能看到聲束擴(kuò)展錐形范圍內(nèi)有減弱的回波信號。這導(dǎo)致該缺陷看起來存在位置偏差，缺陷當(dāng)量會被低估。特別是當(dāng)使用一個典型的直徑25mm、射頻2MHz和2.25MHz的探頭時，此類探頭典型的-6dB聲束擴(kuò)展大約為4°，其首個旁瓣始于大約8°，傾斜大于4°時，缺陷尺寸低估的數(shù)值是可觀的。

偏心的缺陷

圓形部件比如輪盤或軸，其中的偏心缺陷也有上述類似問題。如圖3所示這類缺陷大都不會被直接探測到。只有當(dāng)探頭沿著部件移動大約90°時，能在聲束擴(kuò)展范圍內(nèi)探測到缺陷。然而，其位置偏離大約90°，到缺陷位置的聲程比應(yīng)有的要長，滿足s'＞s的條件。而且該缺陷會顯得尺寸小，因為它是被負(fù)聲束檢測到的。更為嚴(yán)重的是，如果該缺陷的反射波幅小于噪聲，缺陷就根本探測不出來。

尺寸的確定方法及斷裂力學(xué)

上個世紀(jì)60年代初期，設(shè)計工程師在設(shè)計、評估新型和已有的轉(zhuǎn)子鍛件時，采用了斷裂力學(xué)方法，要求在評估超聲測試發(fā)現(xiàn)的缺陷時，增加確定該缺陷尺寸的步驟。確定轉(zhuǎn)子鍛件中的缺陷尺寸，采用的是基于波幅的定量評估方法。對于大于聲束擴(kuò)展范圍的缺陷，通過探頭移動來確定缺陷大?。▌討B(tài)回波定量，如-6dB法）；對于小于聲束擴(kuò)展范圍的缺陷，使用基于波幅的缺陷定量評估方法。兩種缺陷定量的方法都已證實具有足夠的一致性和可靠性，再加上采用安全系數(shù)，可以提供一種保守的設(shè)計方式。

移動探頭確定缺陷大小

采用探頭移動來確定缺陷大小時，技術(shù)人員在工件表面的兩維移動探頭，觀察顯示屏上的信號，通過信號波幅突降來估計缺陷在兩維方向的大小，第三維的尺寸通過聲程來確定。因此，對于大于聲束擴(kuò)展半直徑的缺陷，所有三維方向的大小都能得到。

基于波幅來確定缺陷大小

對于小于聲束擴(kuò)展直徑的缺陷，大多使用基于波幅的缺陷尺寸估計方法。缺陷在工件中的位置通過聲程和探頭在工件表面的位置來確定。然而尺寸的信息與反射波幅有關(guān)。通過聲程以及和人工反射體（比如平底孔FBH）的反射波相比較來修正反射波幅，從而得到當(dāng)量尺寸。相反，采用波幅的缺陷尺寸確定反射波幅的方法是基于點對點的定量技術(shù)的有效性。

超聲檢測早期使用的最傳統(tǒng)的方法，采用基于多個平底孔校正的距離波幅修正法（DAC）。然而此DAC僅僅基于兩個測量點：一點在3英寸（約76mm），另一點在11英寸（約280mm），并外推到22英寸（約560mm）和33英寸（約840mm），外推基于平方反比定律。

1959年在歐洲廣泛應(yīng)用的距離-增益-尺寸法（DGS或AVG），將信息歸并入了一張非常方便的圖表。這時底波或特定平底孔尺寸的波幅損失（增益）畫在了聲程坐標(biāo)上。這個坐標(biāo)系統(tǒng)中不同的底波曲線始于上部（低的增益值），多條曲線對應(yīng)于不同的平底孔值。那些平底孔對應(yīng)曲線在遠(yuǎn)場中平行，隨著平底孔減小，增益值增加。使用這張圖表，不僅校驗設(shè)備非常容易，而且確定缺陷尺寸也變得簡單。

汽輪機(jī)運行事故分析

1970年，鍛制了一根330MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子。運行了16年之后，發(fā)電汽輪機(jī)歷史上最嚴(yán)重的事故發(fā)生了。轉(zhuǎn)子爆裂，部分轉(zhuǎn)子飛出了汽輪機(jī)缸體和發(fā)電廠外墻，甚至有的落到了距發(fā)電廠1.3km（約1英里）的地方，幸運的是沒有人員傷亡。

圖4 低壓轉(zhuǎn)子事故

圖5 缺陷偏心分布

這次事故的原因是一個鍛造缺陷，在制造檢測時有超聲顯示。當(dāng)時評估為等同于一個5mm的平底孔，底波完全消失。該缺陷被判定為一組不大的非金屬夾雜的群體顯示，因此被接受。然而事故發(fā)生后詳細(xì)的冶金學(xué)調(diào)查確定，失效原因來自四個二次縮孔。發(fā)現(xiàn)的最大縮孔有一只手掌那么大，并且是偏心的。由于這種偏心分布該缺陷顯示被低估了50～60dB，如圖5所示。

圖5a為1970年轉(zhuǎn)子檢驗的情形，圖5b為1989年起對于無中心孔鍛件強(qiáng)制角度掃查，圖5c為帶中心孔的鍛件強(qiáng)制角度掃查，要求覆蓋中心孔周邊（高應(yīng)力）區(qū)。

對于沒有中心孔的工件，角度不得超過-6dB波束擴(kuò)展的兩倍，這樣偏心或帶角度的缺陷顯示即使被低估了也不會超過6dB。這意味著一個標(biāo)準(zhǔn)的2MHz、直徑為25mm的探頭，必須采用70、140、210、280掃查，如圖5b所示。而且，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷顯示要求采用中間角度使波幅響應(yīng)最大化，以得到最佳的尺寸確定。

對于帶中心孔工件，最高應(yīng)力區(qū)域環(huán)繞中心孔，使得徑向缺陷非常關(guān)鍵。因此，聲束與中心孔相切的掃查，及覆蓋環(huán)繞中心孔高應(yīng)力區(qū)域的大角度掃查方式被引入。

1974年，事故發(fā)生在一個1957年投入使用的225MW蒸汽輪機(jī)中—低壓轉(zhuǎn)子鍛件上。運轉(zhuǎn)了17年之后，在蠕變引發(fā)的疲勞和脆性斷裂的綜合作用下，該轉(zhuǎn)子鍛件裂成了多個碎片，如圖6所示。詳細(xì)的冶金調(diào)查后發(fā)現(xiàn)一個MnS偏析區(qū)是開裂源頭。并且，回火和氫脆也是導(dǎo)致其失效的原因。此次事故后特地在行業(yè)內(nèi)引入了中心孔超聲檢測。

圖6 TAV Gallatin轉(zhuǎn)子事故

超聲檢測的發(fā)展

早期的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)使用的是蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的超聲檢測規(guī)范。上世紀(jì)80年代初期隨著燃?xì)廨啓C(jī)在火力發(fā)電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其超聲檢測規(guī)范和蒸汽輪機(jī)區(qū)別開來。而且，由于燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子采用堆垛輪盤結(jié)構(gòu)，軸向掃查被引入以提高發(fā)現(xiàn)缺陷的概率。

隨著基于計算機(jī)的超聲儀器和機(jī)電傳動技術(shù)的發(fā)展，開始出現(xiàn)自動化的超聲檢測系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)的優(yōu)點是對超聲檢測過程的關(guān)鍵因素提供更精確的控制，尤其是探頭位置、掃查速度、接觸壓力、探頭方向和角度控制。因為有超聲數(shù)據(jù)的電子記錄，缺陷探測的可靠性和一致性得到了提高。由于有記錄，A、B和C掃查的離線評估，以及其他評估方法變得可能，而且還能和其他檢測進(jìn)行更加一致的比較。1995年安裝于Saarschmiede，用于西門子轉(zhuǎn)子鍛件的首套自動化的檢測系統(tǒng)。

過去幾十年，渦輪發(fā)電機(jī)性能要求日益嚴(yán)格，我們已經(jīng)利用更好的轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)工藝，提高超聲技術(shù)，將超聲檢測靈敏度從最初的缺陷當(dāng)量為5mm平底孔，提升到缺陷當(dāng)量0.7mm平底孔。2009年西門子統(tǒng)一了全球應(yīng)用的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子鍛件規(guī)范。

結(jié)束語

大型轉(zhuǎn)子鍛件檢測未來的改進(jìn)主要有以下6點：

⑴縮短檢測時間以降低制造成本，目前最短的檢測時間為大約1天檢測1個簡單的燃?xì)廨啓C(jī)輪盤。

⑵改進(jìn)數(shù)據(jù)分析流程以更好地描述缺陷，降低失效風(fēng)險，提高生產(chǎn)件成功率。

⑶三維超聲數(shù)據(jù)和其他無損探傷數(shù)據(jù)相融合，以提升缺陷尺寸。

⑷方便工程師設(shè)計，將完整的無損探傷結(jié)果整合進(jìn)三維計算機(jī)輔助設(shè)計工程工具。

⑸將工件服役以后的無損探傷結(jié)果完全整合進(jìn)來，反饋給生產(chǎn)制造和設(shè)計、吊運，以及運行維護(hù)。

⑹采用概率設(shè)計方法提高設(shè)計富余，以放寬檢測標(biāo)準(zhǔn)。