汽輪機葉片與葉根槽陣列渦流檢測技術應用

郭德瑞

（中國大唐集體科學技術研究院有限公司 火力發電技術研究院，北京 100040）

汽輪機動葉片和樅樹型葉根槽在運行過程中受離心力和激振力的作用，在葉片表面和葉根槽變截面處易產生極大的應力，常會發生葉片斷裂或葉根槽開裂情況。通過對葉片和葉根槽的相關部位進行無損檢測，可以有效地發現已經發展成形的宏觀缺陷和微觀缺陷，確保機組的安全運行。目前針對葉片和葉根槽的無損檢測方法主要有常規渦流檢測、磁粉檢測和滲透檢測。常規點式渦流探頭檢測靈敏度與缺陷走向有關，如果缺陷方向與渦流的方向一致就難以檢測到，在葉片的檢測中可靠性較差；而磁粉檢測和滲透檢測兩種方法在此類結構的檢測中都存在一定的局限性，如檢測速度慢，效率低； 檢測液有殘留，易污染工件，對人體有害；葉片內弧靠近根部位置（圖1）和葉根槽變截面處（圖2）難以觀察到，易造成漏檢等。

圖1 汽輪機葉片

圖2 樅樹型葉根槽

陣列渦流檢測技術是最近幾年發展起來的一種更加高效的渦流檢測技術，相比于常規渦流檢測，采用陣列技術檢測時，陣列傳感器可以得到更多有關缺陷的信息，靈敏度更高，檢測速度更快，而且也不使用任何藥液，具有干凈環保等多種優點，在航空航天等領域已經得到了廣泛的應用，例如對飛機渦輪葉片的檢驗等。同時，陣列渦流技術也適用于發電廠汽輪機葉片和葉根槽的缺陷檢測，檢測速度快，檢測無殘留，不需做后續處理，具有良好的優越性和實用性。

1 陣列渦流技術原理及應用

1.1 陣列渦流技術原理

渦流檢測以電磁感應為基礎，當載有交變電流的檢測線圈靠近被檢導體時，由于線圈磁場的作用，試件中會感生出渦流。同時該渦流也會產生磁場，渦流磁場會影響線圈磁場的強弱，進而導致檢測線圈電壓和阻抗的變化。導體表面或近表面的缺陷會影響渦流的強度和分布，引起檢測線圈電壓和阻抗的變化，根據這一變化，可以推知導體中缺陷的存在。根據信號的幅值及相位，對缺陷進行判斷，是一種快速、簡便可靠的檢測技術，可用于檢測導電材料的表面和近表面缺陷。但使用常規渦流技術對檢測面積較大或者檢測面形狀較復雜的被檢部件進行檢測時，操作工作量比較大，且常用的筆式探頭在移動方向與缺陷方向具有一定取向性，容易產生漏檢。近年來，隨著計算機技術、電子掃描技術以及信號處理技術的發展，陣列渦流檢測技術逐漸發展起來。該技術采用陣列式渦流檢測線圈，并借助計算機化的渦流儀器強大的分析、計算及處理功能，設定陣列線圈之間的響應關系，實現信號激發與采集（圖3），通過使用多路技術采集數據，避免了不同線圈之間的互感，忽略互感影響的陣列渦流在檢測中對缺陷特征進行提取、分類識別和成像。陣列渦流探頭在長度方向上相對尺寸較大，一次檢測覆蓋面積大，檢測效率高；同時陣列式渦流探頭對渦流信號的響應時間極短，只需激勵信號的幾個周期，在高頻時主要由信號處理系統的響應時間決定，各線圈單元通過電子方式快速自動切換，檢測掃查速度快；通過設定不同線圈在陣列各方向的相互組合與匹配，達到一次掃查可以檢出各方向缺陷的目的，缺陷檢出率高。

1.2 陣列渦流技術的特點

圖3 陣列渦流傳感器線圈之間的切換

陣列渦流技術相比較于其他檢測方式具有以下特點：①能夠對被檢工件被檢面進行大面積的高速掃描檢測，陣列探頭的一次檢測過程相當于傳統單個渦流探頭對被檢測部件的往返步進掃描的過程；②對被測工件表面(含近表面)有與傳統渦流檢測同樣的測量精度和分辨率，對不同方向、不同深度的缺陷都有良好的檢測效果，不存在因缺陷方向導致的漏檢問題；③能用于檢測多種結構形狀的檢測面，如各種異型管、棒材、板材、輪轂、葉片等部件；④能變換線圈的結構類型以形成特殊的陣列能力。可以采用多頻和混頻的方法，調節靈敏度，改變滲透深度，抑制干擾，提高信噪比；⑤檢測時可采用C掃描顯示方式，圖像更加清晰、直觀，同時也可選取信號的阻抗平面和時基掃描顯示。

1.3 陣列渦流技術在實際中的應用

（1）焊縫檢測。焊縫檢測一直作為渦流檢測的難點，采用傳統探頭檢測對鐵磁性材料的磁導率極其敏感，焊縫表面高低不平和熱影響區變化會造成嚴重的干擾信號，無法進行可靠檢測。而采用陣列渦流檢測時，陣列渦流能采集焊縫區域的相關信號數據，信號清晰穩定，利用計算機歸一化處理，從圖像中可以看出焊縫表面存在的微小裂紋。

（2）金屬板材檢測。許多重要結構的金屬板材需要進行100%渦流檢測，常規的渦流檢測需要配備自動化驅動系統，設備昂貴，并且耗時長。而使用陣列渦流檢測，僅需要配備簡單的直線驅動裝置或者手動操作即可完成檢驗工作，因此工作效率有了大幅度提高。相比傳統表面檢測（如磁粉檢測、滲透檢測），陣列渦流檢測費用和時間更為節省，檢測效果更為優越，并且無污染。

（3）管、棒、條型金屬材料的檢測。在使用傳統渦流技術對管材、棒材等金屬材料進行檢測時，會受到被檢材料的直徑大小、斷面形狀的限制，以及對縱向長裂紋和非相切方向的小缺陷容易造成漏檢。而陣列渦流檢測此類材料沒有這些方面的局限性，也無需機械旋轉裝置，掃查速度快、噪聲小、同時擁有更高的靈敏度。

特殊結構金屬材料的檢測。采用陣列渦流檢測技術可以對特殊結構金屬材料進行檢測，例如對飛機輪轂的檢測，因為飛機輪轂形狀的不規則，使用傳統渦流檢測需要配置多種探頭，而且手動操作時間長、檢測可靠性不足。而采用陣列渦流技術，使用柔性探頭進行檢測，無需更換探頭，與工件表面耦合更良好，大大降低提離效應的影響，既省時又可靠。本文重點討論發電廠汽輪機葉片與葉根槽陣列渦流檢測技術的應用。

2 汽輪機葉片和葉根槽陣列渦流檢測

2.1 儀器

根據產品結構和檢測要求，本次檢測選用SMART－5097陣列渦流探傷儀，該儀器支持32通道陣列傳感器，可以滿足產品檢驗的需要。

2.2 探頭

根據陣列渦流探頭的特點和汽輪機葉片、葉根槽的結構特性可以看出，對于面積較大工件的檢測，除了需要滿足檢測靈敏度、檢測速度以及缺陷定位精度等要求外，還需要考慮被檢測工件的幾何形狀、曲面變化、測量空間等客觀條件。因此本次檢測選擇柔性32通道陣列探頭對汽輪機葉片的進汽側和出汽側外表面進行檢測（圖4），柔性探頭線圈陣列能夠分布在很大的面積范圍內，從而實現一次性對葉片大面積的檢測，而且柔性探頭可以更好的與葉片表面貼合，保證探頭線圈產生的渦流場與葉片耦合良好，減小了提離效應的影響。葉片邊緣使用彈性夾持探頭進行檢測（圖5），彈性夾持探頭可以隨葉片邊緣的薄厚變化提供良好的彈性接觸。葉根槽檢測是根據槽的尺寸形狀將線圈植入到仿形結構中，定制專用的仿形檢測探頭（圖6）。仿形探頭中線圈隨著探頭結構的外形平行布置，保證在各變截面處能達到相應的檢測效果，根據支持的通道數可將線圈布置在單側或雙側。通過一次或兩次的掃查，實現對葉根槽兩個側面的完整檢測。

圖4 陣列柔性探頭

圖5 葉片邊緣檢測探頭

圖6 葉根槽檢測仿形探頭

2.3 對比試塊

汽輪機轉子葉片多由鐵素體或馬氏體不銹鋼制作而成，選擇一種與被檢葉片材質，熱處理工藝一致的葉片制作成對比試塊，在葉片的葉片尖端、根部、進汽側邊緣、出汽側邊緣各加工3個電火花槽，方向分別為45°、90°和180°。尺寸(長×寬×深）分別為尖端槽10mm×0.1mm×0.2mm、10mm×0.1mm×0.5mm、5mm×0.1mm×1mm； 根 部槽 5mm×0.12mm×0.2mm、5mm×0.12mm×0.5mm、5mm×0.12mm×1mm；進汽側邊緣槽5mm×0.12mm×0.2mm、5mm×0.12mm×0.5mm、3mm×0.12mm×1mm；出汽側邊緣槽5mm×0.1mm×0.2mm、5mm×0.1mm×0.5mm、3mm×0.1mm×1mm（圖 7）。

葉根槽對比試塊制作選用與葉根槽結構一致的模擬體，并在特征位置處分別加工尺寸(長×寬×深）為 5mm×0.1mm×0.2mm、5mm×0.1mm×0.5mm、3mm×0.1mm×1mm電火花槽。

圖7 葉片對比試樣

2.4 檢測設置

陣列渦流的主，副頻率可獨立調節，又存在相互匹配問題，檢測時要保證被檢區域內渦流的流動，缺陷信號與其他信號之間也要有足夠的相位差以便于判別，因此頻率選擇比較復雜，且需考慮以下幾個因素。

（1）靈敏度的要求。檢測頻率的高低會直接影響線圈與試件間的耦合。頻率低，則耦合效率低，小缺陷不易被發現。

（2）阻抗及相位變化量。阻抗幅值變化量的大小與頻率比?/?ɡ(?ɡ為特征頻率）有關，表面裂紋深度的變化引起的阻抗變化與?/?ɡ之間存在一定的關系，不同深度的裂紋，阻抗或有效磁導率變化量最大時所對應的?/?ɡ不同。一般當?/?ɡ取較小值時相位變化量較大。我們根據被檢工件的特點和易產生缺陷特性來確定頻率比?/?ɡ的最佳值，就可以獲得大的線圈阻抗變化量和相位變化量，提高檢測靈敏度和檢測效率。

（3）干擾信號。渦流檢測時，較強的干擾信號會與缺陷信號混合在一起，難以區分。陣列渦流檢測技術可用矢量疊加來去除干擾信號的影響，因為探頭對干擾信號和缺陷信號的反應是獨立的，兩者共同作用的反應為單獨作用時的矢量疊加，利用這一特點，可以通過改變檢測頻率來改變渦流在被檢工件中的大小和分布，使同一缺陷或者干擾信號在不同頻率下對渦流產生不同的反應，通過矢量運算，抵消干擾信號的影響，只保留缺陷信號。

考慮到上述幾點因素，結合被檢產品的材質和所選用的陣列探頭進行分析實驗，平衡相位差、探頭掃查速度、檢測靈敏度和檢測深度之間的關系，設定激勵頻率為500kHz；濾波參數高通1.0，低通65.0；檢測靈敏度校準時，探頭以20mm/s檢測速度掃過不同的電火花槽，根據信號幅值情況，將0.2mm深電火花槽信號幅度調整到滿屏的50%，將此靈敏度作為檢測基準靈敏度。

圖8為在葉片試樣上掃查電火花槽時的數據圖，通過數據的C掃描10及幅度圖顯示，可以直觀的識別出缺陷，并且可以初步判斷出缺陷尺寸。

圖8 模擬試樣檢測圖

因為對比試塊上的模擬缺陷深寬比很小，而實際的同深度的疲勞裂紋其深寬比通常比模擬缺陷大得多，因此對疲勞裂紋會有更高的信噪比。而且陣列渦流探頭多頻和混頻的應用，再配置不同的場強、增益和相位，可以兼顧檢測靈敏度和有效檢測深度，滿足不同深度、不同形狀缺陷的檢出率。

2.5 現場應用

在某電廠檢修期間，對低壓轉子末級葉片進行了陣列渦流檢測（圖9）。在實際運行工況條件下，汽輪機葉片工作過程中所產生的疲勞裂紋都在應力集中部位，一般來說疲勞裂紋易出現在出汽側薄邊、葉片尖端和拉筋孔邊緣，葉根應力集中部位也可能出現，因此我們對以上部位進行重點檢測。

葉片檢測前對葉片表面預清理，避免油污等表面不良狀況影響檢測效果。在調校好儀器基準靈敏度后，將探頭與檢測面貼合并沿著檢測面做勻速移動，檢測速度在可控范圍內，從葉片尾端至前端，完成一次掃查，同一葉片上的兩次掃查覆蓋的區域有15%的重疊，以保證對檢測面的檢測覆蓋率達到100%。

檢測過程中，葉片出汽側薄邊沖痕及葉片補焊位置的凹痕都有很好的幅值響應及相位變化響應，葉片表面腐蝕坑、葉片表面曲率變化引起的噪聲以及探頭接觸不良和晃動引起的噪聲提高等因素并未對渦流信號造成較大干擾。

在葉根槽的檢測中，將仿形探頭從葉根槽一側插入，勻速移動至另一側即完成一次掃查。樅樹型葉根槽由于結構原因，受力部位相對比較復雜，葉根槽的截面隨著齒根位置向下逐漸變大，根據樅樹型葉根受力分析和葉根槽結構型式，通常在第一或者第二齒根槽內表面應力達到最大值，而這里恰恰是葉根槽截面積相對較小處。而常見的缺陷多是在變截面位置的軸向開裂，因此危害性很大。現場對葉根槽的陣列渦流檢測具有非常好的實用性，仿形探頭可以與葉根槽表面的狹小空間結構相匹配，避免出現漏檢現象，而且操作簡便，速度快，檢驗效果良好。

圖9 現場葉片檢測

通過實驗對比和現場應用，使用陣列渦流檢測技術可以實現對汽輪機葉片葉身部位和樅樹型葉根槽部位的100%檢測，檢測信噪比高，檢測速度快，可有效縮短檢驗時間，提高生產效率，檢測過程無任何殘留，無污染，不會對葉片和葉根槽造成損傷，對環境和光線無特殊要求，適應性好。相比與其他無損檢測方法對汽輪機葉片和葉根槽的檢測，陣列渦流檢測技術在滿足檢測靈敏度的情況下，具有更加明顯的優勢。

3 結語

對比其他無損檢測方法的優缺點，通過理論分析、實驗對比和現場檢測，可以看出陣列渦流檢測技術在汽輪機葉片和葉根槽檢測中的突出優勢：第一，陣列渦流檢測技術在葉片和葉根槽的檢測中檢測靈敏度高，可靠性好，可檢測出0.2mm深的各方向的表面缺陷。第二，根據葉片和葉根槽的結構特性制作相應的探頭，操作簡便，檢測效率高，一次掃查即可檢測探頭覆蓋區域下的整個區域。第三，信號通過屏幕顯示，對光線等外界因素無特殊要求，安全環保；不使用任何藥液，無環境污染，對工件無任何影響，對人體無害。第四，現場檢測速度快，節省人力物力，對在役設備的檢測能達到非常良好的效果。

陣列渦流檢測技術是近年來興起的一項高級無損檢測技術，已應用于多個領域，并且取得了非常良好的應用效果，在對汽輪機部件等電廠設備的無損檢測中也具有非常廣闊的應用前景。

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