汽輪機轉子葉輪反T型槽實時成像檢測技術

江野+劉文生+宋利+賈少威+王東

摘 要：文章對汽輪機轉子葉輪輪緣反T型槽結構特點及裂紋特征進行研究分析，結合其結構特點及裂紋特征，對超聲相控陣換能器及楔塊進行優化設計，并通過仿真模擬試驗和理論研究對檢測工藝進行優化。選取某火電廠汽輪機低壓轉子葉輪輪緣具有自然裂紋缺陷的部位制作對比試塊進行試驗驗證，結果表明該技術靈敏度高、成像直觀、易于判斷，滿足反T型槽在役檢測的要求。

關鍵詞：反T型槽；實時成像；超聲相控陣；汽輪機轉子；葉輪

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.029

0 前言

汽輪機轉子葉輪反T型槽結構強度較小，長期處于高溫、高壓環境中，受到到離心力、激振力、疲勞、腐蝕和振動以及濕蒸汽區水滴沖蝕的共同作用[1]，在應力集中部位容易出現裂紋，這些缺陷的產生將加大機組運行風險，隨著機組運行時間的增加，裂紋一旦擴展造成高速轉動部件斷裂失效，會帶來巨大的經濟損失和可能的人身傷害[2]。因此，在役汽輪機轉子質量檢測十分重要。由于汽輪機轉子葉輪輪緣反T型槽的結構特殊，采用常規A顯示脈沖超聲波檢測不易對缺陷進行定位識別，缺陷分辨力較低，檢測結果不易判別，容易造成漏檢和誤檢[3]。文章主要通過對汽輪機轉子葉輪反T型槽結構特點及裂紋特征的分析，對超聲相控陣實時成像檢測技術進行了深入研究，通過優化相控陣換能器、楔塊、檢測工藝參數和成像效果等創新手段，提高檢測靈敏度和檢測效率，并使檢測結果更直觀，缺陷定位更準確。

1 反T型槽結構特點及裂紋特征

汽輪機葉輪反T型槽具有結構簡單、加工方便的優點，但其所承受應力較小，強度僅能滿足較短葉片的工作需要，普遍使用在中大型火電機組汽輪機轉子較短葉片上。在工作時，汽輪機葉片主要受以下幾種力：（1）蒸汽作用力；（2）自身質量的離心力；（3）起停時的交變應力；（4）運行時的震動受力；（5）頻繁調峰的交變熱應力。葉片的T型葉根插入葉輪反T型槽中，其受力通過根部作用于葉輪反T型槽，使反T型槽四個內角產生應力集中。汽輪機葉輪反T型槽的四個內角均為有一定弧度的圓角，其中內側兩個圓角的半徑較大，外側兩個圓角R的半徑較小，經長時間運行外側圓角易產生裂紋缺陷，因此該部位為重點檢測區域[4]。

反T型槽裂紋產生的原因主要有兩種：腐蝕疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋。葉輪反T型槽在腐蝕介質和循環應力的共同作用下，由于輪槽內角處有應力集中現象，而在內角處出現腐蝕疲勞裂紋，裂紋在內角區域呈群發特征，開口很寬，為穿晶形裂紋，直線擴展，略有分叉，尖端圓潤。由于葉輪葉根輪槽內角加工的不規范，在使用時有較大的應力集中，葉輪材料在特定的腐蝕介質中長期使用而出現了應力腐蝕現象，出現應力腐蝕裂紋，裂紋在內角區域呈單發特征，裂紋曲折、細小，有較多分支為沿晶形裂紋，尖端尖銳。汽輪機葉輪反T型槽裂紋產生時間集中，擴散速度快，初期裂紋形成方向與外側平面約成50°～60°，隨著裂紋的擴展，出現裂紋分支，主裂紋方向逐漸與外側平面逐漸接近90°方向。

2 超聲相控陣檢測工藝優化

2.1 聲束角度設置

汽輪機轉子葉輪輪緣反T型槽外側表面平滑，可移動范圍大，方便操作，可以作為超聲相控陣檢測的掃查面。為了提高裂紋的檢測靈敏度，應保證超聲聲束與剛產生的裂紋成90°方向，由于裂紋形成初始方向與外側平面成50°～60°角，所以要調整探頭放置位置，使覆蓋反T型槽外側圓角區域A的聲束入射角度在50°～60°之間，如圖1所示。為了對缺陷進行較為準確的定位，則需要有相應的特征波來實現定位，經分析發現反T型槽內側圓角區域C與反T型槽結構輪緣小腳的斜面D的反射波可以作為特征波，如圖2所示。經仿真模擬發現起始角度為25°，終止角度為70°時，聲束可以實現A、B、C區域的全覆蓋。

2.2 換能器的優化

在工業無損檢測領域，以線陣換能器的應用為主，其設計的基本原則：最小化主瓣寬度、消除柵瓣、抑制旁瓣[5]。理論上陣元數量越多，主瓣寬度越小，指向性越好，但同時會提高換能器的造價和檢測系統的復雜性，通過分析陣元主瓣寬度的關系可知，16陣元的換能器既滿足使用性能，造價又不高。常用的超聲波頻率范圍在0.5～10MHz之間，超聲波頻率越高，分辨率越好，檢測靈敏度越高，但同時能量衰減越大，有效檢測范圍越小。汽輪機葉輪輪緣反T型槽厚度一般不超過30mm，所需掃查范圍不大，且要求能在裂紋擴展初期盡早發現，對分辨力的要求較高，因此換能器選擇較高頻率7.5MHz。

2.3 楔塊的優化

針對汽輪機葉輪反T型槽，楔塊入射角的選擇主要遵循：（1）聲束入射角應介于第一臨界角、第二臨界角之間，滿足在工件中全橫波掃查要求；（2）使聲束在被檢工件中的折射角剛好掃查裂紋起源區域，即聲束折射角應在50°～60°范圍內。

根據斯涅耳定律計算可知，要使工件中的橫波聲束角度在50°～60°，則楔塊入射角應在33.6°～38.8°之間；要滿足全橫波掃查要求，則楔塊入射角應在23.3°～46.3°之間。綜上，楔塊入射角應選擇36°。

2.4 檢測靈敏度

經模擬研究發現，對于反T型槽裂紋缺陷的檢測，其主要掃查聲束角度為50°～60°。利用超聲波探傷專用試塊CSK-IIIA，測得55°聲束掃查不同深度φ1通孔反射波高80%時的增益值，見表1。考慮檢測面光滑度和對細小裂紋的檢測的需求，實際檢測靈敏度一般增益6dB～10dB最佳。

3 試驗研究

3.1 對比試塊

截取某火電機組汽輪機低壓轉子套裝葉輪輪緣其中一部分作為本次試驗的對比試塊，其反T型槽長a=52，寬b=26，厚δ=23mm，材質為34CrNi1Mo，加工成型的試塊照片如圖3示。其中反T型槽試塊B側的外側圓角區域存在深約2mm的自然裂紋，裂紋通過著色探傷檢測隱約可見，處于擴展早期，如圖4所示。

3.2 試驗結果及分析

本次試驗儀器采用PHASCAN相控陣檢測儀，換能器：7.5S16-0.5×10-D10，楔塊：SD2-N55S（36°）。具體檢測參數詳見表2：

當探頭放置在A側檢測面時，出現兩個特征波，特征波1為內側圓角的反射波，特征波2為輪緣小腳斜面的反射波，兩個特征波在反T型槽二維模型上的位置，與反射面在試塊上的位置完全對應，如圖5所示。當探頭放置在B側檢測面時，除了出現兩個特征波，在外側圓角區域出現一個明顯的缺陷反射信號，其在反T型槽二維模型上的位置，與裂紋在試塊上的位置完全對應，如圖6所示。

從試驗效果可知，該檢測系統對于反T型試塊外側圓角部位長約2mm的自然裂紋裂紋有很高的靈敏度，在反T型槽二維模型的相應位置呈現出清晰的缺陷反射圖像，檢測結果準確易識別。

4 結語

本文基于超聲相控陣技術實現了汽輪機葉輪反T型槽實時成像檢測，結合反T型槽結構特點及裂紋特征對換能器、楔塊和檢測工藝參數進行了優化。通過試驗驗證表明，該方法具有較高的靈敏度，檢測結果直觀、可靠，能夠在裂紋擴展早期及時檢出，具有較高的實用價值。

參考文獻：

[1]嚴益民，胡正飛，林富生等.汽輪機轉子30Cr1Mo1V鋼長期服役狀態下的高溫疲勞行為[J].材料工程，2012（11）：38-41，96.

[2]常文爽.低壓汽輪機葉輪輪緣裂紋的超聲相控陣檢測[D].天津大學，2012.

[3]宋紹河，楊景建，鞏向偉等.汽輪機輪緣裂紋超聲波探傷方法研究[J].無損探傷，2005，29（02）：33-34.

[4]呂勝軍，馬德舉，辛建彬等.汽輪機葉輪輪緣反T型葉根槽裂紋的超聲波探傷[C].第八屆全國電站焊接學術討論會論文集，2001：217-220.

[5]詹湘琳，陳世利，張宇等.超聲相控陣在管道缺陷檢測中的優化設計[J].儀器儀表學報，2006，27（z2）：1581-1582.

作者簡介：江野（1990-），男，湖北枝江人，助理工程師，主要從事電力行業金屬監督及無損檢測新技術的應用研究。endprint