壓縮機葉輪葉根缺陷相控陣超聲檢測方法研究

壓縮機葉輪葉根缺陷相控陣超聲檢測方法研究

朱學耕董世運徐濱士

裝甲兵工程學院,北京,100072

摘要：壓縮機葉輪葉根易出現疲勞裂紋、氣孔等內部缺陷。基于超聲脈沖反射法原理，利用相控陣超聲檢測技術，采用聲線模型對缺陷檢測位置進行分析,并通過聲場分布模擬以及缺陷檢測模擬優化實驗方案,最后利用聚焦掃描對人工預置平底孔缺陷進行檢測。檢測結果表明：利用相控陣超聲檢測技術在葉輪內腔對葉根進行檢測，缺陷信號明顯，缺陷定位精度高，定位誤差僅為0.19%。

關鍵詞：葉輪；葉根；相控陣超聲;缺陷檢測

中圖分類號：TG115.28

收稿日期：2015-04-20

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CB013403,2011CB013405)

作者簡介：朱學耕,男,1991年生。裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系碩士研究生。研究方向為相控陣超聲無損檢測。董世運，男，1973年生。裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室研究員。徐濱士，男，1931年生。裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系教授、博士研究生導師，中國工程院院士。

ResearchonPhasedArrayUltrasonicMethodsforDefectDetectionofCompressorImpellerBladeRoot

ZhuXuegengDongShiyunXuBinshi

AcademyonArmoredForceEngineering,Beijing,100072

Abstract:Compressor impeller blade root was easy to occur fatigue cracks, holes and other internal defects.Based on the principles of ultrasonic pulse reflection and phased array ultrasonic method,the testing positions of blade root defects were analysed by voice model,and the experimental plan was optimized with sound field simulation and defect testing simulation.An experiment of artificial flat bottom hole defect testing was made by focus scanning.The results show an evident defect signal of blade root is found by phased array ultrasonic testing when scanning through impeller internal.The defect location error is only 0.19% which shows a high accuracy.

Keywords:impeller;bladeroot;phasedarrayultrasonic;defecttesting

0引言

壓縮機葉輪是鼓風機組的重要組成部分，在服役過程中通過高速旋轉將機械能轉換為氣體的內能與動能[1]。葉片是葉輪中的重要組成部分，葉片在服役中承載著巨大的離心力、彎曲應力、振動應力等交變載荷，易出現疲勞裂紋與沖蝕磨損[2-3]。對于沖蝕磨損這種宏觀缺陷,利用目視法就能作出判斷;對于葉片的表面裂紋,文獻[4]利用熒光滲透檢測法對高壓渦輪葉片進行檢測，能夠清晰地顯示出缺陷的位置；對于近表面缺陷,文獻[5]在對汽輪機葉片工作狀況進行分析的基礎上,給出對葉片熒光磁粉探傷的檢驗措施,為葉片的質量檢驗提供了借鑒。Zenzingera等[6]基于脈沖渦流熱成像檢測技術，對航空發動機渦輪葉片和榫頭上的裂紋進行檢測，發現該技術對內部小缺陷具有較高的檢測靈敏度。但是無論是滲透檢測、磁粉檢測還是渦流檢測都僅限于檢測葉片表面以及近表面缺陷，對其內部缺陷卻無法檢測。射線檢測雖然能夠精確地檢測出葉片內部的缺陷[7-9]，但檢測成本較高，對人體有害。為了控制葉輪的質量，提高經濟效益，必須選擇正確的檢測手段，及時檢測出潛在的危險。超聲波檢測因具有靈敏度高、穿透能力強、分辨率高、檢測速度快、成本低、設備簡單和對人體無害等一系列優點而被廣泛應用。

1檢測原理

1.1傳統超聲檢測

傳統的超聲檢測[10]多采用脈沖反射法。當工件完好時，超聲波可以順利傳播到達底面，示波屏中顯示端面回波T和底面回波B兩個信號。當工件中有缺陷時，示波屏中不但有表示端面回波T和底面回波B的脈沖信號，還有表示缺陷信號的脈沖回波F,如圖1所示。根據缺陷回波的波形特點以及位置坐標可以判斷缺陷的類型以及缺陷在工件中的位置。

(a)無缺陷檢測(b)帶缺陷檢測

(c)無缺陷時檢測信號(d)帶缺陷時檢測信號 圖1　超聲檢測原理

1.2相控陣超聲檢測

1.2.1相控陣超聲檢測的原理

相控陣超聲檢測方法與常規超聲檢測方法的基本原理相同，均是利用換能器發射脈沖信號與缺陷相互作用，然后接收反射脈沖或者透射脈沖信號對工件進行損傷檢測。不同于常規超聲檢測的是，相控陣超聲換能器是由許多個晶片按照一定的幾何形狀和幾何尺寸進行排列，每個晶片具有獨立的通道，其信號的激發與接收通過計算機終端控制，通過改變激發晶片的延時率，能夠控制每個發射信號的波形、幅度和相位，進而形成聲束的偏轉與聚焦[11]。

1.2.2相控陣超聲檢測的特點

(1)傳統超聲檢測通常使用一個換能器產生超聲波，其聲束是固定的，改變聲束必須更換超聲換能器。相控陣換能器由許多形狀規則的晶片按照一定的序列組成，通過電子系統控制每個陣元激發與接收超聲波，實現聲束的偏轉與聚焦，在不更換超聲換能器的情況下可產生不同形式的聲束，能夠檢測復雜形狀的物體，克服了傳統超聲檢測的一些局限性。

(2)傳統超聲檢測時需要移動探頭完成對工件的檢測，相控陣換能器可以產生不同角度的聲束，不移動或少移動探頭就可完成工件的檢測。

(3)相控陣超聲檢測能夠實現自動掃查，能對工件的內部缺陷成像，具有較高的檢測靈敏度以及信噪比。

1.2.3相控陣超聲成像

相控陣超聲成像是通過控制陣列換能器中各個陣元激勵(或接收)脈沖的時間延遲來改變聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描線的技術。

相控陣超聲成像通常有四種掃描情況。第一種是A掃描，顯示的是換能器駐留在工件上某一位置時，沿傳播方向的回波振幅分布。第二種是B掃描，顯示的是與聲束傳播方向平行且與試件的測量表面垂直的截面上的回波信息，即顯示的是工件的某一縱斷面的聲像。第三種是C掃描，顯示的是與聲束傳播方向垂直的樣品橫斷面，就是被檢測工件離探頭所在表面一定距離的橫斷面的聲學影像。第四種是S掃描，S掃描本質上是B掃描,在其基礎上改變聲束的傳播角度，將不同角度的超聲信號以扇形顯示出來。

2葉根缺陷檢測模擬

2.1檢測位置分析

為了確定最佳檢測位置，在葉輪的橫截面處，取一個類梯形區域進行分析，類梯形區域的形狀如圖2所示。根據橫波的掃描范圍可分為3個區域：A區域為完全掃描區;B區域為掃描盲區;而C區域為葉輪結構上的斷層導致的橫波無法傳播的區域。

圖2　葉輪截面

針對缺陷的位置，相控陣探頭可以放置在輪盤上平面以及葉輪的內腔。利用聲線模型分析聲波在工件中的傳播路徑，據此設計了2種檢測方案。方案1，如圖3a所示，將相控陣探頭連接在55°斜楔塊上，由于被檢工件要求偏轉角度較大，因此采用橫波進行檢測，聲波在A區域能夠對葉輪進行掃描,而在B區域和C區域由于結構復雜，可能存在缺陷的漏檢問題。方案2，如圖3b所示,將相控陣探頭連接厚25mm、曲率半徑為68mm的凸形楔塊(楔塊一面貼合探頭平面，另一面貼合葉輪內腔)，采用縱波進行檢測，聲波在工件中傳播時可以完全覆蓋A、B區域，在C區域也能夠對葉片根部進行檢測，不存在漏檢問題。

(a)探頭置于輪盤上(b)探頭置于葉輪內腔 圖3　探頭放置位置以及聲波傳播

2.2楔塊設計

探頭放置在葉輪的內腔時，為了滿足相控陣超聲檢測，必須設計楔塊充當介質使聲波入射到葉輪中，楔塊厚度的設計原則為

(1)

葉輪的材料為FV520B鋼,楔塊的材料為有機玻璃，因此工件中的聲波速度c2=5900m/s,楔塊內的聲波速度c1=2237m/s,工件內的檢測深度h2=65mm。

根據上述參數可以得到楔塊的厚度h1=25mm，實際制作的楔塊其長a1=65mm、寬b1=32mm、厚度h1=25mm、曲率半徑p1=68mm。

2.3聲波在葉輪中的傳播

超聲波在工件中的傳播肉眼無法觀察，為了對聲波在工件中的傳播有更加清晰的認識，以及對工件中聲場分布情況的了解，利用Solidworks對葉輪模型進行簡化,將模型導入CIVA軟件后，采用聲線模型對聲波在工件中的傳播進行模擬，如圖4所示。由圖4可以看出，聲波垂直入射到輪盤以及葉片內部，部分聲波與輪盤以及葉片相互作用后能夠沿著入射路徑返回，由于輪盤以及葉片的幾何形狀比較復雜，部分聲波因反射、折射而造成能量損失。

圖4　縱波在葉輪中的傳播模型

2.4聲束延時率的計算

相控陣探頭的聲場可以認為是探頭中各個陣元在合適的延時率下發射聲波的疊加，因此延時率的不同會影響聲束的實際形狀。

2.4.1偏轉聲束的延時率

圖5所示為帶楔塊的偏轉聲束模型，圖中，2a為晶片的寬度，d為晶片間隙,r為葉輪內腔半徑，θ1為聲波入射角，θ2為聲波折射角,l1為聲波在楔塊中的聲程,l2為聲波在工件內的聲程,Δl為相鄰兩晶片的聲程差。聲束偏轉時,聲波在楔塊中的聲程是相同的,入射到楔塊與工件的界面處發生折射,折射后聲波發生偏轉，聲波在固-固界面與波陣面之間產生聲程差。

圖5　帶楔塊的偏轉聲束

第n個晶片相對于第n-1個晶片的聲程差為

Δl=dsinθ2

(2)

第n(n≥2)個晶片相對于第1個晶片的延遲時間為

(3)

2.4.2聚焦聲束的延時率

單點聚焦聲束延時率的特點是:從兩側到中間晶片的延遲時間逐漸增大,且在聚焦焦點兩側對稱的晶片其延時相同。

圖6　帶楔塊的聚焦聲束

圖6為帶楔塊的聚焦聲束。圖中,R1n為第n個晶片在楔塊中的聲程,xn為第n個晶片的橫坐標，R2n為其在工件中的聲程，總的聲程為兩者之和。由Snell定理及其相互幾何關系可得

(4)

(5)

(6)

因此第n個晶片發射聲波到達焦點的傳播時間為

(7)

記第一個晶片的延遲時間為t1,則第n(n≥1)個晶片的延遲時間為

(8)

利用CIVA軟件對線性掃描、偏轉掃描、聚焦掃描聲束進行模擬，如圖7所示，相控陣探頭的頻率設置為5MHz,每組16個晶片，分別采用線性掃描、偏轉掃描、聚焦掃描的方式進行聲束模擬,其中偏轉掃描的偏轉角度為20°,聚焦掃描的聚焦深度為20mm。

在圖7中可以看出,線性掃描與偏轉掃描的聲束相對聚焦聲束來說比較發散，聚焦掃描聲束比較集中,線性掃描聲束與偏轉掃描聲束的區別在于聲束角度不一樣。三種聲束的軸線聲壓如圖8所示。

由圖8可以看出，三種掃描方式形成的聲束其聲壓均是先增大，到達一定峰值后開始減小，其中聚焦聲束與線性掃描聲束在30mm后的聲壓基本相等,而偏轉聲束在工件5mm厚度內的聲壓基本為零。從聲壓峰值來看,聚焦聲束聲壓最大，偏轉聲束聲壓次之，線性掃描聲壓最小。可見，線性掃描和聚焦掃描適合各個深度的缺陷檢測，而當缺陷在葉輪中的埋藏深度小于5mm(埋藏在輪盤中)或者缺陷為豎直方向時,不適合采用偏轉掃描檢測；當缺陷埋藏深度較深且為斜缺陷時,適合用偏轉聲束進行檢測。

(a)線性掃描聲束

(b)偏轉掃描聲束

(c)聚焦掃描聲束 圖7　聲束模擬

圖8　三種聲束的軸線聲壓

2.5葉根缺陷相控陣超聲模擬檢測

在葉根處預置內徑D=0.8mm，長ld=10mm的平底孔,如圖9所示。部分聲波在工件中傳播遇到孔狀缺陷發生反射，探頭接收反射聲波形成缺陷信號；另一部分聲波在工件中繼續傳播。

圖9　預置平底孔的缺陷的葉輪模型

由于預置的平底孔缺陷相較于檢測位置來說埋藏較深，因此線性掃描與聚焦聲束檢測都適用。利用CIVA軟件進行檢測模擬，分別設置探頭參數與線性掃描聲場和聚焦掃描聲場模擬時參數保持一致，所得檢測結果如圖10所示。在圖10a、圖10b左側可以清楚地看見缺陷檢測模擬信號,比較兩種不同掃描方式下缺陷的B顯示圖可以看出線性掃描時的缺陷信號比較發散，聚焦掃描時的缺陷信號比較集中。圖10c為缺陷信號的射頻信號圖，可以看出聚焦掃描時的缺陷信號比線性掃描時強，因此實際檢測中應當采用聚焦掃描進行檢測。

(a)線性掃描聲束缺陷的B顯示信號

(b)聚焦掃描聲束缺陷的B顯示信號

(c)缺陷射頻信號聲壓 圖10　缺陷檢測模擬結果

3實驗驗證

利用電火花在葉輪的葉根處距離內腔壁約20mm的位置預置同樣的平底孔。利用MULTI2000相控陣超聲檢測儀，連接Olympus5L64A2型相控陣探頭，當探頭與55°斜楔塊連接放置在葉輪輪盤端面對葉根缺陷進行檢測時，如圖11所示，探頭很難完全放置在輪盤上。設置聲束偏轉角度為60°,其他參數與偏轉掃描聲場模擬時一致,得到的檢測結果如圖12所示。探頭放置在此位置時聲波不能傳播到葉根處，無法檢出缺陷,此結果說明檢測位置方案1不可行。

圖11　探頭置于輪盤端面進行檢測

圖12　連接斜楔塊的檢測結果

在不改變設備的情況下,將探頭與設計的凸形楔塊相連接,采用聚焦掃描進行檢測,參數設置與缺陷檢測模擬時一致。探頭與楔塊連接后在葉輪內腔放置,如圖13所示。檢測結果如圖14所示。

圖13　探頭置于葉輪內腔進行檢測

圖14　實際檢測缺陷的B顯示信號

根據圖14中的顯示結果，可以初步判斷底部信號b為端面反射信號,信號a為缺陷信號。為了更加清楚地判斷缺陷信號，取缺陷的A顯示圖，如圖15所示。

圖15　缺陷的A顯示信號

由圖15可以看出在聲程為0mm時有明顯的回波，此處的信號為端面回波T,與圖14中底部信號b對應；在聲程為19.761mm時有一明顯的較強回波信號，與圖14中信號a相對應，根據預置缺陷的實際位置，可以判定此回波信號為缺陷信號F。缺陷的實際距離為20mm,與實際判斷的位置相對誤差僅為0.19%,檢測誤差較小。結合B顯示圖以及A顯示圖可以清晰地判斷出缺陷的位置，從而為葉輪的缺陷檢測提供了參考。

4總結

針對壓縮機葉輪葉根處可能存在的缺陷，利用相控陣超聲檢測技術，依據工件的幾何形狀，選擇適當的檢測位置，設計匹配的楔塊，完成了對葉片根部的缺陷檢測，對缺陷的定位具有相當高的精度。

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(編輯王旻玥)