發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片的柔性陣列渦流檢測(cè)

楊洪斌，仝茂峰，吳曉龍，余 超，劉 洋，劉建屏，尹建鋒

(1.北京京橋熱電有限責(zé)任公司，北京 100067;2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

圖1 某百萬(wàn)機(jī)組斷裂的風(fēng)扇葉片

火電機(jī)組發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片是發(fā)電機(jī)重要組成部件,裝配在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端，隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),從而在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端產(chǎn)生壓差,起到輸送發(fā)電機(jī)冷卻氣體的作用。風(fēng)扇葉片一般為鋁合金鑄造修整而成。在運(yùn)行過(guò)程中,葉片隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以3 000 r·min-1的速度旋轉(zhuǎn),易在運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋等危害性缺陷,這些缺陷易引起葉片斷裂甚至造成機(jī)組故障，圖1為某電廠百萬(wàn)機(jī)組發(fā)電機(jī)的斷裂葉片實(shí)物。在機(jī)組檢修中對(duì)葉片表面的檢測(cè), 特別是葉片根部裂紋的檢測(cè), 一般采用滲透檢測(cè)的方法對(duì)表面及變截面部分實(shí)施檢測(cè)，但是滲透檢測(cè)只能檢測(cè)表面開口缺陷，而且存在工作量大、易污染環(huán)境、清理不徹底、易殘留滲透劑等問(wèn)題，而渦流檢測(cè)可以克服上述問(wèn)題。但傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)效率較低，對(duì)不同方向的線性缺陷的靈敏度不一致，對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者帶曲率的工件不能很好地進(jìn)行電磁耦合。

陣列渦流技術(shù)是一種渦流檢測(cè)新技術(shù)，其通過(guò)渦流檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，并借助于數(shù)字化渦流儀的分析、計(jì)算及處理功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和零件的快速、有效檢測(cè)。相比傳統(tǒng)單通道渦流技術(shù)，渦流陣列技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 檢測(cè)線圈尺寸較大，掃查覆蓋區(qū)域大，檢測(cè)效率一般是常規(guī)渦流檢測(cè)方法的10～100倍；② 提供檢測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像，便于數(shù)據(jù)的判讀；③ 根據(jù)被測(cè)零件的尺寸和型面進(jìn)行探頭外觀設(shè)計(jì)，可直接與被測(cè)零件形成良好的電磁耦合[1-4]。

筆者采用陣列渦流技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行表面和近表面缺陷檢測(cè)。在實(shí)際的渦流檢測(cè)中，提離、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率、缺陷以及工件厚度等參數(shù)的變化均會(huì)對(duì)放置式線圈的阻抗產(chǎn)生影響。文章以?shī)W林巴斯陣列渦流檢測(cè)儀為例，分析了檢測(cè)頻率、提離效應(yīng)、掃查方向?qū)Πl(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片陣列渦流檢測(cè)信號(hào)的影響，并對(duì)風(fēng)扇葉片的現(xiàn)場(chǎng)陣列渦流檢測(cè)提出建議。

1 柔性陣列渦流檢測(cè)技術(shù)原理

渦流陣列由3部分組成：驅(qū)動(dòng)單元、探頭、多路復(fù)用器。陣列渦流檢測(cè)探頭由多個(gè)獨(dú)立工作的線圈構(gòu)成，這些探頭線圈按特定的結(jié)構(gòu)型式密布在平面或曲面上構(gòu)成陣列，且激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈之間形成兩種方向相互垂直的電磁場(chǎng)傳遞方式。工作時(shí)不需使用機(jī)械式探頭掃描，只需按照設(shè)定的邏輯程序,對(duì)陣列單元進(jìn)行實(shí)時(shí)/分時(shí)切換，并將各單元獲取的渦流響應(yīng)信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用器接入儀器的信號(hào)處理系統(tǒng)中，即可完成一個(gè)陣列的巡回檢測(cè)，通過(guò)多路復(fù)用技術(shù)可以有效避免不同線圈間的互感[1]。 陣列式渦流檢測(cè)探頭的一次檢測(cè)過(guò)程相當(dāng)于傳統(tǒng)的單個(gè)渦流檢測(cè)探頭對(duì)部件受檢面的步進(jìn)掃描過(guò)程，并且能夠達(dá)到與單個(gè)傳感器相同的測(cè)量精度和分辨率。

由于風(fēng)扇葉片帶有曲率，在檢測(cè)時(shí)為了保證貼合良好，采用柔性電路板制作矩形渦流陣列傳感器，這種傳感器柔韌性較好，適用于多種曲面的檢測(cè)[5]。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試塊

儀器選用奧林巴斯多通道陣列渦流檢測(cè)儀，型號(hào)為Olympus OmniScan ECA;采用柔性陣列探頭，型號(hào)為Olympus FBB-051-500-032，探頭參數(shù)為32個(gè)探頭陣列，中心頻率為500 kHz；單線圈直徑為3 mm，探頭能檢測(cè)到的最小缺陷尺寸為線圈直徑的一半(1.5 mm)。

檢測(cè)頻率影響試驗(yàn)和提離效應(yīng)影響試驗(yàn)所用試塊1為2A50鋁合金試塊，其材料與風(fēng)扇葉片材料相同。試塊尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為150 mm×100 mm×20 mm，表面有3個(gè)φ2 mm通孔。掃查方向影響試驗(yàn)所用試塊2為線切割槽試塊，材料為2A50鋁合金，尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為100 mm×40 mm×10 mm，線切割槽長(zhǎng)40 mm，寬0.3 mm，3條槽深分別為0.2,0.5,1.0 mm。試塊1和試塊2的結(jié)構(gòu)示意如圖2，3所示。對(duì)試塊1和2的表面進(jìn)行清理至表面潔凈光滑且呈現(xiàn)金屬光澤。

圖2 檢測(cè)試塊1結(jié)構(gòu)示意

圖3 檢測(cè)試塊2結(jié)構(gòu)示意

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

文章設(shè)計(jì)了3個(gè)試驗(yàn)，分別研究檢測(cè)頻率、提離高度和掃查方向這3個(gè)變量對(duì)風(fēng)扇葉片陣列渦流檢測(cè)的影響。

2.2.1 檢測(cè)頻率影響試驗(yàn)與分析

該陣列渦流檢測(cè)儀的檢測(cè)頻率為80 kHz～3 150 kHz，將檢測(cè)頻率分別設(shè)置為80,100,150,200,250,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000 kHz，總增益為58 dB，垂直增益為0，將提離信號(hào)調(diào)到水平，測(cè)量上述頻率下試塊上φ2 mm通孔的渦流信號(hào)。

當(dāng)檢測(cè)頻率為300 kHz時(shí)，陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。從阻抗圖中可知信號(hào)幅值為1.841 V，相位角為207.8°。

圖4 頻率為300 kHz時(shí)φ2 mm通孔的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果

圖5 檢測(cè)頻率與φ2 mm通孔信號(hào)幅值的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)不同檢測(cè)頻率時(shí)的信號(hào)幅值與相位,結(jié)果如表1所示。

由表1繪制檢測(cè)頻率與信號(hào)幅值的關(guān)系曲線，如圖5所示，可見頻率在80 kHz～3 125 kHz時(shí)，信號(hào)幅值隨頻率的增加而增加。

將表1中檢測(cè)頻率為100 kHz～3 125 kHz的信號(hào)相位與檢測(cè)頻率的關(guān)系繪制成圖，結(jié)果如圖6所示，可知φ2 mm通孔信號(hào)相位呈周期性變化，且檢測(cè)頻率每增加100 kHz，相位增加約60°。

表1 不同檢測(cè)頻率時(shí)φ2 mm通孔缺陷的

圖6 檢測(cè)頻率與φ2 mm孔信號(hào)相位關(guān)系

已有研究表明[6]：對(duì)于非磁性材料來(lái)說(shuō)，實(shí)際渦流檢測(cè)中，檢測(cè)頻率與特征頻率比f(wàn)/fg為5～150時(shí)具有實(shí)用意義(其中f為檢測(cè)頻率，fg為特征頻率)。在放置式線圈的阻抗分析中，一般選取10

PC=r2ωμrσ

(1)

式中：r為線圈的平均直徑；ω為角頻率；μr為工件材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；σ為工件材料的電導(dǎo)率。

為了得到更高的精度，工作點(diǎn)需選擇在阻抗曲線的拐點(diǎn)部分，因?yàn)樵谶@里阻抗曲線和提離效應(yīng)有較大的相角，易于鑒別。要使工作點(diǎn)在阻抗圖的拐點(diǎn)部分，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)奶筋^直徑和工作頻率，使得PC≈10[6]，式(1)可以改寫為

(2)

式中:r為線圈的平均半徑，m;f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m。

因?yàn)?/p>

(3)

則可得

(4)

風(fēng)扇葉片材料為2A50鋁合金，采用鍛造工藝制作而成，塑性加工會(huì)對(duì)2A50鋁合金的電阻率產(chǎn)生影響。欒兆菊等[7]研究了等徑角擠壓后2A50鋁合金的微觀組織和電導(dǎo)率變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)3次擠壓后，2A50鋁合金的電導(dǎo)率σ由初始的18 784.63 S·m-1迅速下降到3 553.27 S·m-1。文中2A50鋁合金的電導(dǎo)率σ取3 553.27～18 784.63 S·m-1。該陣列渦流儀檢測(cè)線圈平均半徑r=1.5×10-3m。將PC≈10,σ=3 553.27～18 784.63 S·m-1,r=1.5×10-3m代入式(4)中，可得f≈300 kHz～1 580 kHz，即根據(jù)特征參數(shù)計(jì)算得到的合適檢測(cè)頻率為300 kHz～1 580 kHz。從圖5中可看出,檢測(cè)頻率在300 kHz～1 400 kHz時(shí)曲線的線性最好，與計(jì)算值基本吻合，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的電導(dǎo)率，選擇300 kHz～1 400 kHz作為2A50鋁合金材料風(fēng)扇葉片的檢測(cè)頻率。

2.2.2 提離效應(yīng)影響試驗(yàn)及分析

渦流探頭有一個(gè)基于探頭設(shè)計(jì)本身的初始阻抗(空線圈阻抗)，這是渦流探頭的一個(gè)固有特性。當(dāng)探頭靠近被檢對(duì)象時(shí)，在線圈接觸材料表面的那一時(shí)刻，阻抗的實(shí)部和虛部會(huì)發(fā)生變化，這就是“零提離阻抗”。探頭在這兩點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)所描繪的阻抗曲線即提離曲線，其對(duì)渦流檢測(cè)有重要意義。杜金強(qiáng)等[8]研究了提離距離對(duì)渦流陣列傳感器輸出特性的影響。

盡管使用柔性探頭對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行檢測(cè)，但由于風(fēng)扇葉片表面曲率是一直變化的，在實(shí)際檢測(cè)中依然會(huì)有貼合不太好的地方，故還是要考慮提離高度對(duì)陣列渦流檢測(cè)信號(hào)的影響。

檢測(cè)頻率選擇500.5 kHz，總增益為65 dB，垂直增益為0，將提離信號(hào)調(diào)到水平，通過(guò)調(diào)整探頭和試塊之間的提離高度，測(cè)量試塊上的φ2 mm孔信號(hào)，提離高度為0～1.0 mm，其間步進(jìn)為0.1 mm。

當(dāng)提離高度為0時(shí)，陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，從阻抗圖中可知信號(hào)幅值為6.463 V，相位為329°。

圖7 提離高度為0時(shí)φ2 mm通孔的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)不同提離高度的檢測(cè)信號(hào)幅值與相位，結(jié)果如表2所示。

表2 不同提離高度時(shí)φ2 mm孔的檢測(cè)信號(hào)

將表2中數(shù)據(jù)繪制成圖，得到的檢測(cè)信號(hào)幅值、相位與提離角度的關(guān)系曲線如圖8，9所示，可見隨著頻率的增加，信號(hào)的相位基本不變，信號(hào)幅值遞減。

圖8 φ2 mm孔信號(hào)幅值與提離高度的關(guān)系曲線

圖9 φ2 mm孔信號(hào)相位與提離高度的關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,提離高度只是對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值有影響，可以根據(jù)提離高度進(jìn)行增益補(bǔ)償。為了研究不同提離高度的增益補(bǔ)償值，對(duì)不同提離高度的信號(hào)進(jìn)行增益補(bǔ)償,直到其信號(hào)幅值和提離高度為0 mm時(shí)的信號(hào)幅值相同，由于一般提離高度不大于0.4 mm，故對(duì)0～0.5 mm提離高度的增益補(bǔ)償進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同提離高度時(shí)的信號(hào)增益補(bǔ)償

在實(shí)際檢測(cè)中，提離高度一般小于0.4 mm，可根據(jù)實(shí)際提離情況選擇3～9 dB的增益補(bǔ)償進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.3 掃查方向影響試驗(yàn)及分析

檢測(cè)頻率選擇500.5 kHz，總增益為65 dB，垂直增益為0，將提離信號(hào)調(diào)到水平，在線切割槽試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，探頭掃查方向與槽的夾角分別為0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°。

圖10 掃查方向與線切割槽的夾角為15°時(shí)的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果

當(dāng)夾角為15°時(shí)，陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，從阻抗圖中可知信號(hào)幅值為9.188 V，相位為312.4°。

統(tǒng)計(jì)不同掃查方向的缺陷信號(hào)幅值與相位，結(jié)果如表4所示。

表4 不同掃查方向時(shí)線切割槽的檢測(cè)信號(hào)

將表4中檢測(cè)信號(hào)幅值、相位與掃查方向的關(guān)系繪制成圖，結(jié)果如圖11,12所示，可知不同掃查方向所得到的信號(hào)幅值和相位基本一致。由于絕對(duì)電橋探頭雙排陣列在整個(gè)寬度上能保持穩(wěn)定統(tǒng)一的靈敏度，可探測(cè)任何角度的缺陷，因此在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，只需要沿著葉片方向和垂直葉片兩個(gè)方向進(jìn)行掃查就不會(huì)漏檢。

圖11 不同掃查方向時(shí)的線切割槽信號(hào)幅值

圖12 不同掃查方向時(shí)的線切割槽信號(hào)相位

2.2.4 小結(jié)

(1) 隨著檢測(cè)頻率的增大，缺陷信號(hào)幅值會(huì)增大，相位呈周期性變化，火電機(jī)組發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片有效檢測(cè)頻率為300 kHz～1 400 kHz。

(2) 提離效應(yīng)會(huì)使缺陷信號(hào)幅值下降，相位不變，實(shí)際檢測(cè)中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可增加3～9 dB的增益進(jìn)行補(bǔ)償。

(3) 掃查方向?qū)θ毕菪盘?hào)強(qiáng)度基本沒影響，當(dāng)掃查方向與裂紋方向平行時(shí)，檢測(cè)信號(hào)略微下降。在發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片陣列渦流檢測(cè)過(guò)程中，沿著葉片方向和垂直葉片兩個(gè)方向進(jìn)行掃查即可保證對(duì)各個(gè)方向的缺陷不漏檢。

3 結(jié)論

基于以上試驗(yàn)結(jié)果的分析，對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)扇葉片陣列渦流現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用提出以下建議。

(1) 儀器選擇：儀器應(yīng)至少具有時(shí)基掃描、阻抗矢量平面圖、二維C掃描平面圖等3種渦流檢測(cè)型號(hào)的顯示方式，相位應(yīng)連續(xù)可調(diào)，不同檢測(cè)信號(hào)通道之間要保持一致性。

(2) 探頭選擇：采用柔性陣列探頭，如圖13所示。探頭應(yīng)至少為8個(gè)通道陣列。

圖13 陣列渦流檢測(cè)探頭和掃查裝置

(3) 頻率選擇：由于鍛造成型的風(fēng)扇葉片的電導(dǎo)率為3 553.27～18 784.63 S·m-1，根據(jù)特征參數(shù)計(jì)算和試驗(yàn)得到合適的檢測(cè)頻率為300 kHz～1 400 kHz，因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電導(dǎo)率值選擇檢測(cè)頻率。

(4) 渦流檢測(cè)輔助裝置：探頭配有帶編碼器的手動(dòng)掃查裝置，如圖13所示。

(5) 靈敏度校準(zhǔn)：用試塊2作為2A50材料渦流檢測(cè)對(duì)比試塊進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，調(diào)整靈敏度，使通過(guò)依次加深的刻槽得到的信號(hào)也不斷加深。1 mm深刻槽產(chǎn)生的信號(hào)幅度應(yīng)該達(dá)到儀器阻抗圖界面的80%,其后調(diào)整靈敏度對(duì)工件幾何形狀進(jìn)行補(bǔ)償。至少在開始檢測(cè)和結(jié)束檢測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，在工作條件發(fā)生變化后，也應(yīng)進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。

(6) 掃查：風(fēng)扇葉片表面質(zhì)量的外觀檢查應(yīng)為合格。為確保檢測(cè)時(shí)能掃查到工件的整個(gè)被檢區(qū)域，探頭的每次掃查覆蓋應(yīng)大于探頭寬度的15%，探頭的掃查速度不應(yīng)超過(guò)30 mm·s-1。檢測(cè)過(guò)程中，沿著葉片方向和垂直葉片兩個(gè)方向進(jìn)行掃查即可保證對(duì)各個(gè)方向的缺陷不漏檢。