汽輪機轉子菌型葉根相控陣超聲波檢測的缺陷定量方法

汪 軍

(國核電站運行服務技術有限公司,上海200233)

汽輪機轉子菌型葉根相控陣超聲波檢測的缺陷定量方法

汪 軍

(國核電站運行服務技術有限公司,上海200233)

對核電站汽輪機中廣泛使用的菌型類葉片葉根,采用相控陣超聲波技術進行檢測,分析了其定量檢測結果。通過比對常規超聲檢測的幾類測長方法(－6,－12 d B相對靈敏度法和絕對靈敏度法)來確定適用于菌型葉根的長度測量方法。通過對不同高度缺陷顯示的特征分析,歸納出了菌型葉根的高度定量方法。

相控陣;菌型葉根;長度測量;高度測量;缺陷定量

汽輪機是核電站運行中的關鍵設備,屬于在役檢查中的重點檢測對象,但是長期以來對汽輪機的葉片葉根的體積性缺陷檢測十分困難。隨著超聲波檢測新技術的不斷提升和完善,相控陣超聲波檢測技術已經開始應用到汽輪機轉子葉根的檢測中。

核電站運行期間,汽輪機葉輪和葉片葉根之間的不合理裝配容易導致葉根鍵槽產生應力集中,并導致裂紋的產生。裂紋沿鍵槽切向生長,然后在強大應力作用下迅速失穩,沿葉片軸向切斷[1]。相控陣超聲波技術對于菌型葉根切向生長的裂紋具有良好的檢出能力,但尚未形成完整的缺陷定量方法。筆者通過引入常規超聲的幾種定量方法,比較和歸納了適用于汽輪機菌型葉根缺陷的相控陣超聲波檢測的定量方法。

1 試驗方法

1.1 試塊

以核電發電站CANDU機組汽輪機高壓轉子第9級、10級和低壓轉子第11級、13級菌型葉根為模板制作等比例、同材料的試塊。各級菌型葉根試塊如圖1所示。

在菌型葉根齒槽圓弧面上應力集中最大處設計人工缺陷。為了模擬葉根產生的初期階段裂紋,將大多數人工缺陷的高度設定為0.5～2 mm。同時,考慮到裂紋初期的生長方向可能具有不確定性,在設計人工缺陷時也擬布置不同傾斜角度的缺陷。人工缺陷設計如表1所示。

圖1 各級菌型葉根驗證試塊外觀

表1 菌型葉根人工缺陷設計參數

1.2 探頭和聚焦法則

試驗采用了兩類探頭,第一類探頭為Olympus生產的Cobra探頭,型號為7.5CCEV35-16,楔塊SA15-N60S-IH,試驗儀器為Olympus Omniscan MX2。Cobra探頭為微型高頻橫波探頭,用于菌型葉根相控陣檢測。第二類探頭為汕頭超聲公司生產的定制0°縱波探頭,型號4L16,不搭配楔塊使用,試驗儀器為AGI Handyscan。0°縱波探頭用于菌型葉根相控陣檢測測長的補充檢測。

Cobra探頭聚焦法則采用16晶片逐一順序激發,30°～70°角度范圍,0.5°角度步進扇形掃查。0°縱波探頭亦采用16晶片逐一順序激發,－40°～40°角度范圍,0.5°角度步進扇形掃查。兩類探頭的聚焦深度分別根據工件實際尺寸設置。

1.3 掃查方式

菌型葉根的掃查面為葉根和葉片交貫的斜面和葉根外露平臺,其中第9,10級菌型葉根由于交貫斜面過窄不能作為掃查面。放置相控陣超聲波探頭,使得主聲束軸垂直于葉根與葉輪的裝配面,以保證聲束面能夠正切圓弧面上初期橫向生長的裂紋。橫波檢測時,在可達情況下采用雙側掃查——向葉輪和葉片兩側進行掃查。采用手動掃查對每一齒的鍵槽逐一線掃,并作適當前后移動。菌型葉根的縱波、橫波探頭掃查示意如圖2,3所示[2]。

圖2 菌型葉根的0°縱波探頭掃查示意

圖3 菌型葉根的橫波探頭掃查示意

2 常見信號特征

通過分析菌型葉根相控陣超聲波的扇形掃查信號,可以得到以下幾個特征。

(1)橫波檢測菌型葉根,至少可以檢出0.5 mm高垂直生長的缺陷。其中0.5 mm高并帶有傾角45°的缺陷無法檢出,但可以在幾何結構外觀察到缺陷引起的指示信號。當無法觀察到齒槽附近有指示信號,卻突然觀察到不在部件幾何結構上的指示信號時,可用0°縱波檢測作補充檢測。45°傾角,0.5 mm高人工缺陷的不同檢測方式的顯示如圖4所示。

圖4 45°傾角,0.5 mm高人工缺陷的不同檢測方式的信號示意

(2)使用橫波檢測菌型葉根有兩種掃查方式。探頭向葉片方向檢測時,葉根的結構信號的位置和裂紋生長位置一致;探頭向葉輪方向檢測時,葉根的結構信號并非為裂紋的生長位置。

(3)一般而言,探頭向葉輪方向作檢測時,更容易觀察到帶有端角反射的端點信號,一般不小于1 mm高度的缺陷都能觀察到端點信號。容易觀察到帶有端角反射的端點信號,可以直觀測量缺陷的高度。向葉輪側檢測時,缺陷顯示信號示意如圖5所示。

圖5 向葉輪側檢測時的缺陷顯示信號示意

(4)探頭向葉片方向作檢測時,能觀察到高度不小于0.5 mm的缺陷指示信號。向葉身側檢測時缺陷信號示意如圖6所示。(5)0°縱波檢測菌型葉根時,由于反射的結構信號與缺陷指示信號位置無關,并且小角度的縱波不易產生端角反射。因此,無法利用結構特征測量缺陷高度,也無法適用端點測高法,而只能進行缺陷檢出和測長[3]。

3 缺陷長度定量結果

對于菌型葉根(9級、10級、11級、13級)相控陣超聲波檢測的缺陷長度測量的工藝研究,是通過比對常用的幾種超聲波測長方法的測量結果,并計算各種測長方法測量結果的方均根誤差來確定的,這些測長方法包括－6 dB和－12 dB相對靈敏度法以及絕對靈敏度法。幾種長度測量方法的結果比較如圖7所示。

除第13級缺陷(編號1～2)由0°縱波扇形檢測定量,其余缺陷均由Cobra探頭作橫波扇形檢測,并進行長度測量。每一種測長方法的檢驗結果為4組不同人員測量結果的平均值。將菌型葉根所有缺陷的長度測量結果綜合,作幾種測長方法的折線圖(見圖7)進行比較?？梢园l現－6 dB法的相對靈敏度測長方法測量結果明顯與設計結果更加接近。

圖7 菌型葉根幾種長度測量方法結果比較

根據誤差分析結果,－6 dB長度測量方法的檢測結果最精確,檢測的方均根誤差都小于1 mm。因此,長度測量的方法應該選擇－6 dB法。同時根據方均根誤差結果分析得到,長度測量誤差隨著檢測部件厚度的增加而隨之增加。這種正相關性與波束寬度隨著檢測聲程的增加而相應增加有關。各種菌型葉根長度測量方法的方均根誤差比較如表2所示。

表2 各種菌型葉根長度測量方法的方均根誤差比較 mm

4 缺陷高度定量結果

根據缺陷顯示特征分析,高度測量可以遵循以下原則:

(1)首先觀察缺陷是否存在帶有端角反射的端點信號。若存在,缺陷高度測量方法優先選擇量取端點和端角反射信號差值的方法,優先選擇向葉輪側方向的檢測結果。若出現受限于掃查表面,無法發現缺陷信號的情況,則采用向葉片側的檢測結果。

(2)如果無法發現帶有端角反射的端點信號,當檢測取葉片方向時,即檢測第一級齒槽,高度測量方法采用量取缺陷信號和結構信號的高度測量差值。根據信號特征,至少可以檢出0.5 mm高垂直生長的缺陷。而0.5 mm高帶有傾角45°的缺陷無法檢出,但可以觀察到缺陷引起幾何結構外的指示信號。當齒槽附近無法觀察到指示信號,卻突然發現不在部件幾何結構上的指示信號,可用0°縱波檢測作補充,若觀察到缺陷信號的指示,則將此類缺陷歸為0.5 mm高。

(3)當檢測僅取葉輪方向時,無法觀察到端角反射的缺陷指示,由于相關的結構信號和缺陷生長起始位置無關,無法通過結構信號量取自身高度。根據信號特征分析,此類缺陷的自身高度都不大于1 mm,可將觀察到的信號指示直接歸類為1 mm高的缺陷,如圖8所示。

圖8 采用歸類法高度測量的極小缺陷示意

(4)驗證試驗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。利用上述高度測量的原則,分別對各級菌型葉根進行高度測量,將菌型葉根所有缺陷的高度測量結果依序與計入傾角后的修正高度作圖進行比較,如圖9所示。由比較可見,高度測量整體結果與實際裂紋的自身高度相符。

圖9 將缺陷高度測量結果與計入傾角后電火花槽垂直方向的修正高度的比較

(5)將缺陷高度測量結果與計入傾角后電火花槽垂直方向的修正高度進行方均根誤差分析,如表3所示。第9級高度測量結果誤差為0.2 mm,第10級高度測量結果誤差為0.26 mm,第11級高度測量結果誤差為0.11 mm,第13級高度測量結果誤差為0.45 mm。菌型葉根各級高度測量結果誤差可以證明:先采用缺陷端點和端角反射信號進行高度測量,再采用缺陷指示和結構信號進行高度測量,最后采用歸類法的原則對菌型葉根的高度進行測量是適用的,并且測量結果的精度較高。

表3 各種菌型葉根高度測量方法的方均根誤差分析 mm

5 結語

通過幾種長度測量方法的比較,證明－6 d B定量法最適用于菌型葉根的缺陷長度的測量。通過分析不同高度人工缺陷在不同掃查方式下的顯示特征,使用歸類法進行了高度定量,也證明了該方法的適用性。雖然采用的歸類法會造成對于極小類缺陷的高度測量結果偏大,但對于現場應用而言,歸類法是安全并行之有效的。

[1] KUBIAZ S J,SEGURA J A,GOZALEZ R G.Failure analysis of the 350 MW steam turbine blade root[J].Engineering Failure Analysis,2009,16(4):1270-1281.

[2] 黃橋生,陳紅冬,龍毅,等.汽輪機轉子菌形葉根超聲相控陣檢測[J].無損檢測,2012,34(11):74-75.

[3] 范巖成,徐金利.MARKⅡ型葉片葉根相控陣超聲波檢查信號的分析[J].無損檢測,2013,35(4):65-69.

Imperfection Sizing Method of Turbine Straddle Tree Blade Roots Using Phased Array Ultrasonic Technology

WANG Jun
(State Nuclear Power Plant Service Company,Shanghai 200233,China)

This paper studied the imperfection sizing method using the advanced ultrasonic phased array inspection technology for the straddle tree blade roots.Indication length measurement was determined by comparing several conventional indication sizing methods,such as 6dB drop technique,12dB drop technique,and complete drop technique.Appropriate indication height measurement was conducted by analyzing the characteristics of various indications with different heights.

Phased array;Straddle tree blade;Length measurement;Depth measurement;Imperfection sizing

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0019-05

10.11973/wsjc201701005

2016-04-18

汪 軍(1984－),男,本科,工程師,主要從事核電站無損檢測工作。

汪 軍,E-mail:18930176922＠189.cn。