初 希，歐陽權

(中電華創(chuàng)電力技術研究有限公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著火力發(fā)電機組裝機容量日益增加，600 MW及1 000 MW機組成為大型火力發(fā)電企業(yè)的主力機組。汽輪機轉(zhuǎn)子葉片作為高速轉(zhuǎn)動部件，隨著電力機組服役時間的增長和調(diào)峰頻率的增加，其運行環(huán)境和受力狀況更加復雜，易因制造缺陷、材料性能等因素發(fā)生斷裂事故。

汽輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動部分主要由葉片和葉根組成。葉根作為連接汽輪機輪緣和葉片的連接部分，需要保證在任何工況下都能夠?qū)⑷~片牢靠固定在汽輪機葉輪上。如果這些葉片在運行期間出現(xiàn)故障并從轉(zhuǎn)子上斷裂飛脫，就會給轉(zhuǎn)子造成災難性的事故，可能會導致爆裂，帶來產(chǎn)生人身事故和附帶損傷的風險[1]。

相控陣超聲波檢測技術相比于傳統(tǒng)超聲波檢測技術，集多角度換能器于一體，可有效提高汽輪機叉型葉根、樅樹型葉根等復雜金屬部件缺陷的檢出率。

1 相控陣超聲波檢測原理及特點

相控陣換能器由多個小的壓電晶片按照一定序列組成一個陣列，通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦來實現(xiàn)材料的無損檢測。波的形成和掃查見圖1。

圖1 相控陣超聲波檢測原理

相控陣超聲波檢測技術較常規(guī)超聲方法具有以下優(yōu)點。

a. 檢測速度快。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查快得多，顯著地減少了工廠的停工期，也節(jié)省了費用。

b. 檢測方法靈活。單個相控陣探頭根據(jù)設置工件不同采用不同的掃查方式，就可以檢測不同的部件。

c.可檢測復雜面。相控陣可以檢測幾何形面復雜的試塊，例如采用自動檢測可以輕而易舉地檢測焊縫和槽；相控陣技術也可以采用各種掃查方式，例如雙軸式、多種角度式、多種模式、分區(qū)掃查。

d.陣列尺寸小。小晶片的陣列在具體檢測中易于應用，例如用在檢測空間受限的管道、葉輪等工件中[2]。

2 相控陣超聲波檢測技術應用

2.1 叉形葉根檢測

汽輪機轉(zhuǎn)子叉形葉根主要應用于汽輪機高、中、低壓轉(zhuǎn)子各級葉根。通過有限元分析計算表明：葉根的插銷環(huán)繞區(qū)域是應力最集中區(qū)域，由于汽輪機葉根的運行參數(shù)影響，該種型式裂紋具有快速擴展趨勢[3]。

圖2為汽輪機叉型葉根的結(jié)構(gòu)示意圖，1、2處為汽輪機高速運轉(zhuǎn)下的應力集中區(qū)域，易出現(xiàn)裂紋缺陷，是檢修過程中對葉根進行無損探傷的重點監(jiān)測部位。試驗根據(jù)圖2制作汽輪機叉型葉根試塊，并在圖2中1、2位置各制作一個寬0.5 mm、深0.3 mm的橫穿孔作為人工缺陷，模擬工況條件下易出現(xiàn)的裂紋缺陷。

圖2 叉型葉根試塊

試驗選用型號為5L16-CA00-SXT的探頭，不采用楔塊，試驗儀器為Olympus OmniscanMX2。首先，將探頭放置于上部檢測區(qū)域，對無人工缺陷的汽輪機叉型試塊進行無損檢測(見圖3a)，其中深色顯示為叉型試塊兩側(cè)面弧形區(qū)上端角結(jié)構(gòu)回波；之后，對設計制作有人工缺陷汽輪機叉型葉根進行相控陣無損檢測(見圖3b)，對比圖3a、圖3b，除相同的結(jié)構(gòu)反射波之外，帶有人工缺陷的叉型試塊檢測圖中能明顯看到缺陷發(fā)射波，即使用相控陣無損探傷方法能夠?qū)ζ啓C叉型葉根易出現(xiàn)裂紋缺陷的應力集中區(qū)進行檢測。

圖3 叉型葉根相控陣檢測

采用相控陣超聲波探傷對汽輪機叉型葉根進行探傷，通過控制換能器各陣元的聚焦、掃查，用軟件分析獲得的試驗數(shù)據(jù)，試驗叉形葉根的二維成像檢測，使檢測結(jié)果簡單直接，從而提升缺陷檢出率。

2.2 樅樹型葉根檢測

汽輪機樅樹型葉根具有間距窄、葉根與葉身交界處變截面長、承載能力強、裝拆方便等優(yōu)點，但是其強度計算相對復雜,成型刀加工時精度要求比較高。主要應用于汽輪機低壓缸轉(zhuǎn)子末級、次末級葉根。在汽輪機運行過程中，葉片根部受到的應力主要有離心拉應力，蒸汽彎應力和偏心彎應力[4]。樅樹型葉根的各項應力在齒根處變大，通常在第一或第二齒根表面位置應力達到極大值。斷裂葉根裂紋絕大多數(shù)均出現(xiàn)在第一齒根內(nèi)弧或外弧部位，因此第一齒根的內(nèi)弧外弧部位為檢測的重點，在此應力集中區(qū)域內(nèi)易形成平行于檢測平面的應力腐蝕裂紋，由于汽輪機葉根的運行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)影響，該種型式裂紋有快速擴展趨勢直至該葉根完全斷裂。

圖4為汽輪機樅樹型葉根的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1、2處為汽輪機高速運轉(zhuǎn)樅樹型葉根下易出現(xiàn)裂紋缺陷的位置，其中第一齒的根部為應力最集中區(qū)域，即檢修過程中對葉根進行無損探傷的重點監(jiān)測部位。設計與制作樅樹型葉根試塊，并在1、2處位置設計制作2條模擬人工缺陷，深0.3 mm，寬0.5 mm，從而模擬汽輪機樅樹型葉根易出現(xiàn)的裂紋缺陷。

圖4 汽輪機樅樹型葉根試塊

試驗選用探頭和儀器與叉形葉根相一致。首先，將探頭放置于上部檢測區(qū)域?qū)o人工缺陷的汽輪機樅樹型葉根試塊進行無損檢測(見圖5a)，其中兩側(cè)齒牙弧面具有較強的超聲反射信號；然后，對設計制作有人工缺陷汽輪機樅樹型葉根進行相控陣無損檢測(見圖5b)，對比圖5a、圖5b可以看出，除相同的結(jié)構(gòu)反射之外，帶有人工缺陷的樅樹型葉根試塊能明顯看到缺陷發(fā)射波，尤其對與探頭所處位置同側(cè)的人工缺陷反射回波比較明顯，能夠反映缺陷的具體位置，即使用相控陣無損探傷方法能夠?qū)ζ啓C樅樹型葉根易出現(xiàn)裂紋缺陷的應力集中區(qū)進行檢測。

圖5 樅樹型葉根相控陣檢測

使用相控陣超聲波探傷儀能夠在不拆卸的情況下對發(fā)電企業(yè)汽輪機樅樹型葉根進行無損探傷，而且該種檢測方法簡單、直觀，具有較強的實用價值。

3 結(jié)語

通過使用相控陣超聲波檢測技術對汽輪機叉型葉根和樅樹型葉根的無損探傷應用，可以得出以下結(jié)論。

a.使用相控陣超聲波檢測技術可以實現(xiàn)對汽輪機葉根的覆蓋檢測。

b.使用自動檢測裝置可以實現(xiàn)葉根檢測數(shù)據(jù)與檢測位置的對應，數(shù)據(jù)成像直觀，有助于對回波信號的判讀。

c.使用超聲相控陣模擬軟件，可以為工藝制定、缺陷識別提供幫助。

d.使用三維軟件對復雜結(jié)構(gòu)件進行分析，可以方便檢測工藝的制定。