鄭子昂，汪 植

（1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，海鹽 314300）

1 試驗(yàn)背景

汽輪發(fā)電機(jī)是核電站常規(guī)島最重要的設(shè)備，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由于長期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，受力情況復(fù)雜，斷裂事故較易發(fā)生，且事故后果嚴(yán)重。采用傳統(tǒng)無損檢測方法進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根和葉輪鍵槽的檢測時(shí)，一般須將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子吊出并將葉片從汽機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪中拆卸出來，不僅造成大修工期的延長，還有可能由于拆葉片造成轉(zhuǎn)子葉輪槽的損傷，給設(shè)備帶來隱患。采用汽輪機(jī)葉輪相控陣超聲波檢查可以在不拆卸的情況下，對(duì)葉輪進(jìn)行準(zhǔn)確有效的檢測，不僅縮短了大修工期，還能避免拆葉片對(duì)設(shè)備造成損傷。

20世紀(jì)末，國外的一些檢測公司就著手將相控陣超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用于電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的檢測中。1999年美國亞利桑那公共事業(yè)公司和Aliano能源公司在秋季電力大修期間成功地在商用領(lǐng)域上將相控陣超聲波檢測技術(shù)運(yùn)用到了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪鍵槽的無損檢測上。這次成功的應(yīng)用實(shí)施是由美國電力研究學(xué)會(huì)（EPRI）推廣支持的，EPRI并在其后展開了相應(yīng)的能力驗(yàn)證活動(dòng)。而目前國內(nèi)的無損檢測技術(shù)機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用仍相對(duì)較少，筆者將介紹一個(gè)將超聲波相控陣檢測應(yīng)用到國內(nèi)某核電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子樅樹型葉輪檢測的成功案例。

2 樅樹型葉輪失效分析簡述

國內(nèi)外已經(jīng)有部分機(jī)構(gòu)對(duì)于在役使用的樅樹型葉輪進(jìn)行過相應(yīng)的有限元的應(yīng)力分析。葉輪上應(yīng)力主要集中于與葉根配合的齒槽內(nèi)圓弧上，且最接近葉根側(cè)的第一級(jí)齒槽應(yīng)力最集中，亦最易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋［1］。根據(jù)理論研究和現(xiàn)場實(shí)際反饋情況，樅樹型葉輪的應(yīng)力腐蝕裂紋通常萌生于葉輪與葉根配合齒槽的圓弧上，隨后在汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的靜應(yīng)力和交變應(yīng)力作用下沿葉輪的切向方向生長。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試塊設(shè)計(jì)

根據(jù)樅樹型葉輪的應(yīng)力分析基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了與某廠高壓轉(zhuǎn)子尺寸等比例的樅樹型葉輪驗(yàn)證試塊。驗(yàn)證試塊設(shè)計(jì)規(guī)格為160mm×100mm×100mm，葉輪齒槽結(jié)構(gòu)和材料與某廠檢測的葉輪相同。根據(jù)樅樹型葉輪的失效分析結(jié)果，在相應(yīng)的應(yīng)力集中位置設(shè)計(jì)了相應(yīng)的缺陷，如表1所示，切槽傾角如圖1所示。

表1 高壓轉(zhuǎn)子樅樹型葉輪對(duì)比試塊電火花切槽設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 檢測系統(tǒng)及掃查方式

圖1 驗(yàn)證試塊切槽示意圖

掃查系統(tǒng)采用的是AGR公司生產(chǎn)的TD Handy－Scan超聲波相控陣檢測系統(tǒng)，配備相應(yīng)的編碼器進(jìn)行位置信息的記錄。為覆蓋全部齒輪并達(dá)到較高的缺陷分辨率，相控陣探頭選型為32晶片，陣元中心距為1mm的大尺寸相控陣探頭。試驗(yàn)采用波型為橫波，0.5°角度間隔的扇形掃查，一次覆蓋驗(yàn)證試塊上的所有齒槽。掃查時(shí)將探頭置于離試塊前端一定的位置，聲束正切缺陷截面，采用雙面線掃方式采集數(shù)據(jù)。掃查示意如圖2所示，聚焦法則的設(shè)置根據(jù)檢測目的而設(shè)計(jì)。

圖2 超聲波相控陣掃查樅樹型葉輪示意圖

3.3 信號(hào)分析的一般原則

圖3所示的是樅樹型葉輪扇形掃查中的信號(hào)顯示。通過對(duì)顯示信號(hào)的定位，可以清晰分辨出圖3中的齒槽結(jié)構(gòu)信號(hào)和葉輪幾何結(jié)構(gòu)的波型轉(zhuǎn)換的非缺陷信號(hào)。據(jù)此，試驗(yàn)中缺陷的檢出即通過與固定的結(jié)構(gòu)信號(hào)比較來辨別。現(xiàn)場檢測中，只關(guān)注失效分析中齒槽的應(yīng)力集中位置的信號(hào)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 缺陷檢出試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有設(shè)計(jì)的電火花槽均能被檢出，且信號(hào)顯示均很清晰，包括其中的最小缺陷：3mm長、0.3mm高的電火花槽。超聲波相控陣作為針對(duì)樅樹型葉輪的一種檢測方式，其檢出能力的可靠性得到驗(yàn)證。

4.2 缺陷測長試驗(yàn)結(jié)果

相控陣超聲波檢測的缺陷長度測量的工藝研究，是通過比對(duì)常用的幾種超聲波測長方法的測量結(jié)果，并計(jì)算各種測長方法測量結(jié)果的均方根誤差來確定的，這些測長方法包括－6，－12dB相對(duì)靈敏度的方法以及絕對(duì)靈敏度法。長度測量試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 樅樹型葉輪電火花槽缺陷長度不同方法測量結(jié)果

從圖4所示的結(jié)果來看，三種測長方法的均方根誤差分別為3.4，6.7，11.2mm。相比較而言，－6dB法則的相對(duì)靈敏度測長方法測量結(jié)果總體上與設(shè)計(jì)結(jié)果更加接近。觀察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，10mm及以上長度的電火花槽使用－6dB法則測量的準(zhǔn)確度很高，而10mm以下長度的采用－6dB法長度測量結(jié)果皆約為10mm。這主要受限于檢測采用的相控陣探頭的晶片寬度為10mm，因此長度小于探頭晶片寬度的缺陷，其測量結(jié)果均接近于晶片寬度，于是影響了長度較小缺陷的測長精度。如果刨除10mm以下長度的電火花槽，則采用－6dB法則測長時(shí)，10mm及以上長度的電火花槽的測量長度的均方根誤差為0.9mm，這對(duì)于超聲波檢測的長度測量而言是一個(gè)較高的測量精度。從試驗(yàn)結(jié)果也可以得出結(jié)論，如果采用晶片寬度更小的相控陣探頭可以提高缺陷長度測量的精度。

4.3 缺陷測高試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于缺陷自身高度的測量一直是超聲波檢測的一個(gè)難點(diǎn)，試驗(yàn)試圖采用缺陷端點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行缺陷高度的測量。

觀察葉輪的電火花槽的信號(hào)顯示，發(fā)現(xiàn)所有的切槽信號(hào)歸納下來有兩種顯示特征：① 對(duì)于自身高度矮小的電火花槽，扇掃顯示上只存在端點(diǎn)信號(hào)，如圖5（a）所示。對(duì)于此類缺陷，可通過量取端點(diǎn)和結(jié)構(gòu)信號(hào)之間的距離作為測量自身高度的方法。② 對(duì)于具有一定自身高度的電火花槽，扇掃顯示上可以清晰地分辨出缺陷的端點(diǎn)信號(hào)以及端角反射信號(hào)，如圖5（b）所示。對(duì)于此類缺陷的自身高度測量則相對(duì)直接，采用量取缺陷的端點(diǎn)信號(hào)和端角反射的信號(hào)來進(jìn)行高度測量。

圖5 樅樹型葉輪不同高度的電火花槽扇形掃查顯示

驗(yàn)證試驗(yàn)中的缺陷自身高度測量為缺陷垂直方向的深度，并不考慮缺陷的傾角方向生長高度，高度的測量結(jié)果比對(duì)如圖6所示。

圖6 樅樹型葉輪電火花槽缺陷高度測量結(jié)果比較

將缺陷高度測量結(jié)果與計(jì)入傾角后電火花槽垂直方向的設(shè)計(jì)高度進(jìn)行均方根誤差分析，誤差結(jié)果為0.55mm。從圖6可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于自身高度不大于1mm的電火花槽，缺陷高度的測量離散性較明顯，測量結(jié)果的均方根誤差偏大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，一方面是系統(tǒng)對(duì)小缺陷的分辨力受限于相控陣儀器的角度步進(jìn)值和探頭頻率；另一方面則是小缺陷并不能良好形成端點(diǎn)信號(hào)，信號(hào)幅值偏低。相比較而言，具有一定高度的電火花槽測量偏差較小。從試驗(yàn)結(jié)果中剔除設(shè)計(jì)高度為0.5mm的電火花槽，則缺陷高度測量均方根誤差變小為0.30mm。因此，從測高試驗(yàn)結(jié)果來看，采用缺陷端點(diǎn)和端角反射信號(hào)進(jìn)行高度測量具有較好的準(zhǔn)確性。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

為了完成現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集裝置，該采集裝置具有一根可收縮的手臂和可三個(gè)維度調(diào)節(jié)的探頭架，裝置利用葉輪自身轉(zhuǎn)動(dòng)被動(dòng)采集數(shù)據(jù)，提高了檢測效率和檢測重復(fù)性。該采集裝置已在某廠的某次大修應(yīng)用，現(xiàn)場檢測實(shí)施照片見圖7。

6 結(jié)語

以樅樹型葉輪的失效分析為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了含有電火花槽的樅樹型葉輪對(duì)比驗(yàn)證試塊，電火花槽的分布位置符合應(yīng)力腐蝕裂紋的生長特征。對(duì)葉輪進(jìn)行超聲相控陣檢測技術(shù)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，使用超聲波相控陣檢測技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)檢測覆蓋范圍不足的局限性，并且具有能夠檢出3mm長，0.3mm高的電火花槽的能力。對(duì)于長度測量，試驗(yàn)結(jié)果表明－6dB相對(duì)靈敏度法具有較高的長度測量精度。對(duì)于高度測量，針對(duì)不同高度尺寸的缺陷分別確定了相應(yīng)的測高方法。所以，相控陣超聲波檢測技術(shù)對(duì)于樅樹型葉輪的檢測具有良好適用性，其不僅解決了原有技術(shù)的局限性并提高了檢測的效率、可靠性和準(zhǔn)確性。

圖7 葉輪超聲波相控陣數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場應(yīng)用照片

［1］ SEUNGHAN Y，BYUNGSIK Y，YONGSIK K.U－sing phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount－type low－pressure turbine disc［J］.NDT ＆ E International，2009，42（2）：128－132.