汽輪機T型葉根的超聲相控陣檢測

何 成,李文勝,趙建平,尹 璐,紀軒榮,陳秀明

(1.國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011；2.廣州多浦樂電子科技有限公司，廣州 510663)

汽輪機T型葉根的超聲相控陣檢測

何 成1,李文勝1,趙建平1,尹 璐2,紀軒榮2,陳秀明2

(1.國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011；2.廣州多浦樂電子科技有限公司，廣州 510663)

針對火力發電廠汽輪機組上T型葉根的無損檢測，通過對比常規超聲檢測方法的局限性，結合超聲相控陣檢測理論，定制了專用微型線陣相控陣探頭，提出了一種采用超聲相控陣技術進行T型葉根裂紋檢測的方法，并在新疆某電廠汽輪機組大修現場進行了實際應用。說明超聲相控陣檢測技術用于汽輪機T型葉根裂紋檢測具有實用性、可行性和準確性。

汽輪機；T型葉根；超聲相控陣檢測

汽輪機是火力發電廠的關鍵主設備,而汽輪機葉片則是汽輪機的命脈,其結構完整性是保證汽輪機安全運行的重要因素。由于汽輪機葉片為高速轉動部件，其長期承受拉力、扭力和振動等復雜應力的作用，極易因材料缺陷、裝配欠佳等因素而發生斷裂事故。葉片根部是葉片與汽輪機輪緣相連接的部分，在任何運行條件下葉片都應牢靠地固定在葉輪上，一旦葉片根部斷裂，不僅會損壞其他葉片，還會破壞轉子的動平衡，導致軸系失穩，成為重大事故的誘發因素。因此，加強對汽輪機葉片根部的檢測顯得尤為重要[1]。

實踐證明，在檢修過程中對葉片根部進行預防性檢查,已成為消除設備隱患、確保機組安全運行的一種重要手段。目前葉根檢查常采用常規超聲波檢測，即使用不同角度的多個探頭，或者在不同檢測面重復掃查同一工件，但這樣會使檢測工作量增大，檢測效率降低，而且由于葉根結構復雜導致反射回波復雜，對缺陷回波的辨識非常困難，需要檢測人員具有非常豐富的實踐經驗和操作能力[2]。

常見的葉根型式有T型、菌型、叉型及樅樹型等，型式不同所采用的檢測方法也不同。T型葉根是汽輪機最常見的一種葉根型式,其埋藏在葉輪輪緣內，制造廠提供的葉片零部件圖紙一般也不會涉及其具體尺寸，因而相比其他葉根型式，T型葉根給檢測人員在波形辨識上帶來更大的困難。故在不拆卸的情況下采取有效的檢測方法對T型葉根進行檢測具有重要意義。為此，筆者利用超聲相控陣檢測原理，設計了相控陣縱波微型探頭，對T型葉根的超聲相控陣檢測方法進行了研究。

1 試驗過程

1.1 存在問題及探頭設計

1.1.1 T型葉根的常規超聲檢測及存在的問題

根據現場使用的實際T型葉根尺寸加工對比試塊，在易產生裂紋的前后上下R角區域共加工4個2 mm深的人工刻槽，用以驗證超聲檢測方案的可行性及準確性。

使用特制的高頻Mini單晶直探頭對該T型葉根試塊進行常規超聲檢測試驗，只有A、B兩個位置的人工刻槽可以在2，4號檢測位置檢出；而由于受工件結構和檢測位置的限制，C、D兩個位置的人工刻槽在5，6號檢測位置根本無法檢出。T型葉根對比試塊加工尺寸如圖1所示，可用于探頭擺放的檢測位置如圖2所示，T型葉根試塊人工刻槽如圖3所示。

圖1 T型葉根對比試塊加工尺寸示意

圖2 可用于探頭擺放的檢測位置示意

圖3 T型葉根試塊人工刻槽示意

現選取1～4號四個檢測位置的波形圖加以說明。在檢測時，如經波形分析，試塊上A、B兩個位置的刻槽也是可以分辨出的。但由于T型葉根的裂紋大部分會出現在A處及C處(C處常規超聲方法無法檢出)，探頭在1號檢測位置檢出的底面回波波型和在2號檢測位置檢出的裂紋回波波型較為接近，不易區分。另外，現場實際工件的裂紋走向會更加復雜，如裂紋帶角度、裂紋分叉、裂紋深度淺等都將給常規超聲檢測帶來更大的困難。常規超聲探頭在位置1～4檢測時的波形如圖4～7所示。

圖4 常規超聲探頭在位置1檢測時的波形

圖5 常規超聲探頭在位置2檢測時的波形

圖6 常規超聲探頭在位置3檢測時的波形

圖7 常規超聲探頭在位置4檢測時的波形

可見，“需檢測范圍覆蓋不全，波形辨識難度高”是目前使用常規超聲方法進行T型葉根檢測時存在的主要問題和困難。

1.1.2 超聲相控陣檢測技術的特點

超聲相控陣檢測技術的主要特點是多晶片陣列探頭中各晶片的振幅和延時激勵，均由計算機精確控制，各壓電復合材料晶片受到不同延時的電脈沖激勵后，能產生超聲波的聚焦波束或偏轉波束。聲束參數如角度、焦距和焦點尺寸等均可通過軟件調整，掃描聲束是聚焦的，能以鏡面的反射方式檢出不同方位的裂紋，這些裂紋可能隨機分布在遠離聲束軸線的位置上。而用普通單晶探頭，因移動范圍和聲束角度有限，對方向不利的裂紋或遠離聲束軸線的裂紋，很容易漏檢。常規單晶探頭聲束擴散且單向，而相控陣探頭聲束聚焦且可轉向，多向裂紋可被相控陣探頭檢出[2]。

超聲相控陣探頭放在一個位置，無需移動或少移動便可生成被檢測物體的完整圖像，實現自動掃查，且可檢測復雜形狀的工件，克服了常規超聲波檢測技術的一些局限[2]。

1.1.3 T型葉根超聲相控陣檢測專用探頭設計

相控陣探頭設計的優劣對于該項目檢測方案的成敗起著至關重要的作用。由于T型葉根的結構特點，可用于擺放探頭的實際檢測位置十分有限，一方面探頭需要做得很小，而為了保證相控陣探頭具有較好的聚焦能力和聲束偏轉能力，又要有足夠的探頭陣元數。

為此，筆者與國內某知名超聲企業進行了技術合作，研制出了T型葉根檢測專用相控陣探頭。文中共選用兩種型號的線陣相控陣探頭對T型葉根的4處人工刻槽進行檢測。

(1) 探頭1：該探頭成品外殼尺寸(長×寬)僅有8 mm×8 mm，含8個陣元，陣元間距0.5 mm，特殊定制的T型葉根檢測專用探頭外觀如圖8所示。

圖8 特殊定制的T型葉根檢測專用探頭外觀

(2) 探頭2：7.5 MHz，16陣元晶片自聚焦相控陣探頭，晶片自聚焦線陣探頭外觀如圖9所示。

圖9 晶片自聚焦線陣探頭外觀

1.1.4 儀器軟件優化

由于T型葉根的結構特點，裂紋大多發生在T型的R角附近，R角位置的固有反射回波會對裂紋波形的判讀造成較大干擾。如何快速準確地區分出R角位置的固有反射回波信號和裂紋信號，使檢測圖像易于快速判讀，是檢測人員面臨的又一大難題。通過與國內儀器企業的深入合作，對相控陣檢測儀進行軟件優化，引入了CAD高級圖形文件加載模塊，使得T型葉根的外輪廓圖形能夠1∶1地準確疊加顯示在扇形掃查圖像上。

1.2 試驗方法

由于葉根上可用于擺放探頭的檢測位置十分有限，且裂紋大多首先發生在外側端面，繼而逐步向內側擴展，故選擇幾個特定位置擺放探頭實施“定點檢測”即可，這樣同時會更有利于CAD圖形輪廓的輔助定位。

針對位置A的上R角部位附近的刻槽，采用探頭1進行縱波±30°的扇形掃查，A位置人工刻槽的超聲相控陣檢測波形如圖10所示；通過右上方R角固有回波信號進行T型葉根的CAD圖形輪廓定位，可快速發現A處人工刻槽信號，經實測，其深度與刻槽深度一致。但由于該探頭只有8個陣元，角度偏轉能力有限，在該位置無法發現B位置人工刻槽。

圖10 A位置人工刻槽的超聲相控陣檢測波形

圖11 B位置人工刻槽的超聲相控陣檢測波形

針對位置B的下R角部位附近刻槽，采用探頭1進行縱波±30°的扇形掃查，B位置人工刻槽的超聲相控陣檢測波形如圖11所示;通過左上方R角固有回波信號進行T型葉根的CAD圖形輪廓定位，可快速發現B處人工刻槽信號，經實測,其深度與刻槽深度一致。

針對位置D的下R角部位附近刻槽，采用探頭1在D位置旋轉一定角度后，進行斜向縱波±30°的扇形掃查，可快速發現D處人工刻槽信號(見圖12)，經實測，其深度與刻槽深度一致。

圖12 D位置人工刻槽的相控陣檢測

針對位置C的上R角部位附近刻槽，由于刻槽深度較淺，需要聲束偏轉角度較大，使用探頭1無法完成檢測。經研究后選用探頭2在葉片C處以一定轉向角進行橫波30°～70°的扇形掃查，會輕易發現C位置附近較強的R角回波信號，如該信號后方緊跟另一回波信號即為裂紋(人工刻槽)信號(見圖13)。

圖13 C位置人工刻槽的相控陣檢測

2 現場應用

2015年,在新疆某電廠汽輪機組大修過程中，對現場高中壓轉子次末級78個T型葉根進行了常規超聲波檢測，同時采用文中方案進行相控陣檢測驗證對比試驗。常規超聲方法現場檢出疑似裂紋的T型葉根2個；通過超聲相控陣方法，除檢出這2個疑似裂紋的T型葉根外，又發現3處有疑似裂紋信號的T型葉根。將這5組葉根處疑似有裂紋的葉片拆下后，用磁粉檢測和射線檢測的方法進行驗證，均發現超標裂紋。

3 結論

(1) 使用超聲相控陣檢測技術，配合專門針對 T型葉根檢測研發的專用小尺寸線陣相控陣探頭，可較好地實現對電力汽輪機T型葉根易發生裂紋斷裂區域的全覆蓋超聲相控陣檢測。

(2) 通過超聲相控陣成像技術，結合相控陣儀器特有的“CAD高級工件圖形導入模塊”將T型葉根工件輪廓圖形1∶1地導入加載到S掃圖像上，可使檢測結果更加直觀清晰，易于判斷。

(3) 通過對同一機組T型葉根使用常規超聲檢測與超聲相控陣檢測的對比檢測，證實了相控陣超聲檢測技術在T型葉根檢測上的實用性、準確性和可行性，裂紋檢出率遠高于常規超聲檢測方法。

[1] 劉文生，楊旭，李世濤，等.菌型葉根超聲相控陣成像檢測技術研究[J].汽輪機技術，2013，55(5)：355-356.

[2] 靳峰,楊旭,劉文生,等.叉型葉根超聲相控陣檢測技術研究[J].熱加工工藝,2013,42(24)：217-218.

Ultrasonic Phased Array Testing of T-type Turbine Blade Root

HE Cheng1, LI Wensheng1, ZHAO Jianping1, YIN Lu2, JI Xuanrong2, CHEN Xiuming2

(1.Xinjiang Electric Power Research Institute of State Grid, Urumqi 830011, China；2. Guangzhou Doppler Electronic Technologies Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

For nondestructive inspection of T-type blade root of turbine groups, an inspection method for T-type root cracking by using phased array ultrasonic technology was proposed though analyzing the limitations of conventional ultrasonic testing as compared with the phased array ultrasonic theory. Following that, a special miniature linear phased array probe was customized and practical application for one of thermal power plants in Xinjiang was realized. Combined with magnetic particle and radiographic inspection methods for secondary verification, the practicality, feasibility and accuracy of T-type turbine blade root inspection by using phased array ultrasonic technology were proven.

turbine；T-type blade root；ultrasonic phased array inspection

2016-07-11

何 成(1971—)，男，本科，高級工程師，主要從事電力設備無損檢測及失效分析工作

尹 璐， yinlu@cndoppler.cn

10.11973/wsjc201705008

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0033-04