在役樅樹型葉根原位相控陣超聲檢測技術?

季昌國 余 超

(華北電力科學研究院有限責任公司 北京 100045)

0 引言

樅樹型葉根呈楔齒狀，葉片沿轉子軸向裝入輪緣樅樹型槽中。由于樅樹型葉根承載能力大、適應性好，在300 MW、600 MW火電機組中得到了廣泛的使用。在機組運行中，葉根承受著高溫、高壓、巨大的離心拉應力、擠壓應力、切應力、蒸汽彎曲應力、安裝引起的彎曲應力等，容易產生應力腐蝕裂紋和疲勞裂紋[1]。在運行中一旦葉片根部發生斷裂將會造成巨大的經濟損失和可能的人員傷亡。

火電行業標準DL/T 438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》[2]第12.2.3條要求“機組每次A級檢修時對低壓末三級葉根、高中壓末一級葉根進行無損探傷”。對于大容量機組，上述要求的葉根大多數均為樅樹型葉根。機組檢修時葉根一般是不可拆卸的，各葉片之間間距狹小，傳統超聲檢測操作空間受限制，且樅樹型葉根結構復雜，其葉身和葉根輪廓都沿著各自的曲線變化，即使相鄰幾毫米其截面尺寸的變化也非常大[3]，超聲檢測所需的角度范圍大，回波信號難以判別。

近年來，由于在復雜結構和聲束可達性差的金屬部件缺陷檢測上的優越性，相控陣超聲檢測技術已廣泛使用在電力、航空和化工等領域[3?8]。部分技術人員逐漸將相控陣超聲用在汽輪機樅樹型葉根檢測中。范巖成[9]對核電低壓轉子末級葉片葉根進行超聲相控陣檢查，核電葉片結構尺寸較大，聲束傳播和檢測實施相對容易。黃橋生等[10]將相控陣探頭放置在葉片外弧面靠近根部區域，采用橫波扇掃檢測內弧根部部分區間缺陷；初希等[1]將相控陣探頭放置在葉根外側與葉片連接處的外露平臺上，采用縱波扇掃檢測；歐陽權等[11]將相控陣探頭放置在葉根上表面肩部外露平臺，以點狀掃查為主。以上研究者在設計實驗時僅對葉根局部區域進行檢測研究，未驗證檢測工藝是否能完全覆蓋到整個葉根區域，并且機組檢修中葉片裝配在葉輪上，根部區域間距窄，檢測實施困難。劉宇哲等[12]設計了汽輪機轉子樅樹型葉根相控陣超聲檢測自動掃查裝置，以達到對檢測探頭位姿進行控制的目的，一定程度上解決了探頭和葉根曲面耦合的問題，但未對檢測工藝的設計和聲束可達性進行論證。以上研究成果對實際工程應用的指導意義有一定的局限性，缺乏對葉根原位檢測的系統性研究。

針對上述問題，本文首先采用三維掃描及處理軟件、Civa聲學仿真軟件開發了3D樅樹型葉根相控陣超聲檢測工藝，并對葉根不同區域缺陷的檢測覆蓋和檢測靈敏度進行了實驗驗證。本文研究成果對不同規格樅樹型葉根全覆蓋檢測工藝開發提供參考。

1 葉根裝配型式和檢測重點部位

樅樹型葉根結構如圖1所示。樅樹型葉根各齒牙剖面由上至下逐漸變小，根部齒牙區域應力較大，研究表明葉根應力通常在第一齒根處達到極大值，因此第一齒根的內弧和外弧為檢測的重點部位[6]，如圖2所示。本文使用某600 MW機組樅樹型葉根重點分析解決第一齒根的缺陷檢測。

圖1 樅樹型葉根結構Fig.1 The structure of fir-tree-shaped leaf roots

圖2 葉根重點檢測部位示意圖Fig.2 Schematic diagram of key detection parts of leaf roots

2 葉根全覆蓋檢測工藝設計

2.1 葉片結構三維掃描和數據建模

樅樹形葉片由于其葉身和葉根均為曲面，并且每一處的曲面變化均不相同，結構復雜，剖面尺寸測量工作量大。選用非接觸光學三維掃描系統對單個葉片進行光學三維掃描，采集數據點數214304個，經掃描建模后的數據圖和偏差統計如圖3所示，建模后尺寸數據最大公差為1 mm，標準偏差為0.204 mm，建模尺寸與實際葉片尺寸相符。后續對其提取剖面分析葉根檢測區域的聲束可達性，便于檢測方案設計和檢測結果分析。

圖3 葉片結構三維掃描和數據建模Fig.3 Three-dimensional scanning and data modeling of blade structure

2.2 組合檢測工藝設計

從圖1葉根實際裝配情況可知相控陣探頭能放置的位置為葉片內外弧表面靠近根部的區域以及外弧側進汽側、出汽側平臺。任意單一掃查均無法實現對第一齒根部位的全覆蓋檢測，特設計了以下組合掃查檢測工藝：

(1)相控陣探頭放在葉片外弧面靠近根部區域檢測內弧根部部分區間缺陷，如圖4(a)所示；

(2)相控陣探頭放在葉片內弧面靠近根部區域檢測外弧根部部分區間缺陷，如圖4(b)所示；

(3)在外弧側平臺或變截面處檢測外弧根部、內弧根部缺陷，如圖4(c)所示；

圖4 組合掃查檢測工藝Fig.4 Combined scanning inspection process

(4)工藝(1)、工藝(2)分別與工藝(3)的檢測區域要有一定的重疊，保證全覆蓋。

組合檢測工藝中，聲束焦點設置在第一齒根拐點位置。當探頭放置在葉片外弧面時，焦點深度設置為25 mm；探頭放置在葉片內弧面時，焦點設置為35 mm；當探頭放置在外弧側平臺上時，將焦點設置為27 mm。

2.3 檢測區間與檢測角度理論分析

2.3.1 Civa聲束仿真

通過聲學仿真可以確定被檢區域的聲束可達性。Civa仿真軟件的超聲檢測模塊包括聲束模擬以及缺陷響應兩個功能[13]。為了確定以上各掃查可有效檢測的范圍，需在Civa的聲束仿真模塊中對各掃查范圍內的幾何特征和主聲束所能到達的區域進行詳細的模擬分析，以此初步確定各掃查的有效檢測范圍。Civa仿真時按照表1中設計的探頭參數進行設置。

表1 相控陣線性探頭選用參數Table 1 Parameters of phased array linear probe

2.3.2 相控陣探頭在內外弧面時的分割設計

根據葉片曲面變化特點按一定間距進行分割和剖面提取，提取剖面尺寸進行CAD和Civa軟件模擬實驗?？紤]探頭盡可能放置在接近葉根的部位，以葉根底面垂直向上95 mm處作為基準面做剖面切割，如圖5所示。

圖5 切割基準面Fig.5 Reference plane for cutting

基準面處外弧兩側弧長各80 mm范圍內，每隔5 mm弧長做一個分割，其余的中間部位等間距做3次分割，所有分割沿葉片長度方向并且垂直于基準面處外弧，如圖6所示。從分割剖面得到01W-A-1～01W-A-32共32個剖面。

圖6 垂直外弧分割總圖Fig.6 General view of vertical outer arc segmentation

同理對內弧進行分割，所有分割沿葉片長度方向并且垂直于基準面處內弧。

2.3.3 對垂直外弧、內弧分割面的分析

按照相控陣探頭耦合放置位置對各剖面進行聲束中心線模擬，如圖7所示。模擬結果判定依據如下：(1)聲束在到達第一齒根前有無遮擋；(2)入射到第一齒根處的聲束角度是否在探頭偏轉允許范圍內。從圖7(a)中可以看出，檢測01W-A-13剖面第一齒部位聲束角度為77°。依照該方法對外弧和內弧各32個分割面依次進行模擬，結果見表2和表3。

表2 垂直外弧面聲束模擬結果Table 2 Simulation results of vertical outer arc sound beam

表3 垂直內弧面聲束模擬結果Table 3 Simulation results of vertical inner arc sound beam

圖7 垂直外弧、內弧分割面相控陣超聲聲束中心線模擬Fig.7 Simulation of the centerline of the phased array ultrasonic beam of the vertical outer arc and inner arc segmentation plane

在實際檢測中，當聲束角度在77°以內認定為可檢區域；聲束角度在77°～80°之間為過渡區域；當聲束角度大于80°時，由于聲束偏轉角過大，出現柵瓣，認定為不可檢區域。因此在葉身內外弧面檢測時，可檢區域與探頭移動區域如表4所示。

表4 相控陣探頭在葉身內外弧面檢測時的分析統計Table 4 Analysis and statistics of the phased array probe in the detection of the inner and outer curved surfaces of the blade body

相控陣探頭在葉身內外弧面檢測時無法覆蓋葉根第一齒根全部檢測區域弧長，因此還需要在出汽側和進氣側平臺上進行檢測。

2.3.4 相控陣探頭在平臺時的分割設計

由表4可得相控陣探頭在平臺時的待檢區域弧長并計算對應角度，如圖8所示。其中出汽側平臺內弧待檢角度15.3°，外弧待檢角度7°；進汽側平臺內弧待檢角度16.8°，外弧待檢角度8.4°。

圖8 平臺待檢區域對應角度剖面圖Fig.8 A cross-sectional view of the angle corresponding to the area to be inspected on the platform

對進汽側、出汽側分別按2°角進行分割，各截取10個剖面，角度涵蓋18°，如圖9所示。

圖9 平臺待檢區域對應角度Fig.9 The corresponding angle of the platform to be inspected area

2.3.5 對進汽側、出汽側平臺分割面的分析

對各剖面進行聲束模擬分析，聲束角度模擬結果見表5。

表5 進汽側平臺檢測時聲束中心線模擬結果Table 5 Simulation results of the sound beam centerline during the detection of the steam inlet side platform

結合圖8和圖9可知，在進汽側平臺上檢測外弧時只需檢測到F-F剖面位置即可，檢測內弧時需檢測到J-J剖面位置。探頭沿葉片平臺移動距離分別為36.3 mm、72.1 mm。當探頭移動0～36.3 mm時，可檢測外弧34.1 mm、內弧30.5 mm；繼續再移動35.8 mm時，可檢內弧30.6 mm。由于剖面的起始位置在外弧平臺的拐角處，會導致靠近端面局部區域無法檢測，探頭在不扭動的情況下，外弧面有0～4.2 mm，內弧面0～14.5 mm無法檢測。同理可得出汽側平臺檢測時聲束模擬結果。

由結構原因引起的部分靠近端面的區域不可檢，這部分區域可通過在平臺檢測時將探頭移動到靠近端面位置輕微轉動探頭來解決。

3 葉根相控陣全覆蓋檢測實驗

3.1 人工缺陷模擬試塊設計

由于葉片幾何結構的變化，聲束入射到根部不同位置缺陷的角度不同，回波波幅不一致，需要對不同位置缺陷的靈敏度進行標定；其次分步檢測不同部位的缺陷，需要實際驗證對檢測區域的覆蓋情況。因此，根據上文的分析設計了人工缺陷模擬試塊。

模擬試塊選用實際葉片加工而成，人工缺陷為1.0 mm×5.0 mm×0.2 mm(深×長×寬)電火花槽，用來模擬裂紋。人工缺陷布局選擇典型的檢測位置，同時滿足分步檢測時檢測區域全覆蓋的驗證需求。人工缺陷位置如圖10所示，模擬試塊上共有21個近似方形電火花槽模擬裂紋缺陷，其中內弧側12個缺陷，外弧側9個缺陷。人工缺陷加工在第一齒根弧面拐點處，距離葉根底面垂直距離40.0 mm。

圖10 人工缺陷模擬試塊Fig.10 Simulated test block with arti ficial defects

3.2 靈敏度設置和檢測實施

選用表1中探頭參數進行靈敏度設置時，首先在對比試塊上做TCG校準，然后以葉根模擬試塊上所檢測分區內回波最弱的缺陷信號為基準設置檢測靈敏度。由于疲勞裂紋具有方向性，在掃查時應提高4～6 dB作為掃查靈敏度，以獲得裂紋的尖端衍射信號，防止漏檢并提高缺陷的定量精度。

按照上文的檢測序列進行分區檢測，采集數據時需要注意不同分區之間的檢測覆蓋，并關注檢測過程中耦合情況。

4 葉根相控陣數據信號分析

4.1 使用5L12A41相控陣探頭在內弧檢測外弧第一齒根

檢測區域為圖10所示外弧根部，實際可有效檢出W2～W9共8個缺陷。以外弧人工缺陷W7的檢測結果為例進行分析，如圖11和圖12所示。圖11為外弧無缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中只有結構信號顯示。圖12為有人工缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中除了結構信號顯示還有缺陷信號顯示。

當橫波聲束遇到葉根凹槽端角(或結構面)時會產生反射，出現如圖12中S掃描圖中的第一、第二凹槽端角(或結構面)反射信號。當葉根的第一齒根處有缺陷時，第一個凹槽端角反射波和第二個凹槽結構面反射波之間會出現缺陷回波，且信號較強。當葉根無缺陷時，第一個凹槽端角反射波及第二個凹槽結構面反射波之間不會出現缺陷回波，如圖11所示。

圖11 外弧無缺陷區域相控陣超聲檢測S-A掃描圖譜Fig.11 S-A scan pattern for defect-free area of outer arc

圖12 外弧人工缺陷W7相控陣檢測S-A掃描圖譜Fig.12 S-A scan pattern of W7 defect in outer arc

缺陷W7回波信號和噪聲信號波幅見表6。為實施有效的檢測，一般要求檢測信噪比在10 dB以上[14]。根據信噪比公式：

表6 缺陷W7檢測對比表Table 6 Test comparison table of defect W7

式(1)中，SNR表示信噪比，H信號表示信號回波幅值，H噪聲表示噪聲回波幅值。計算可知，SNR為32.4 dB，完全滿足有效檢測要求。

4.2 使用5L12A41相控陣探頭在外弧檢測內弧第一齒根

檢測區域為圖10所示內弧根部，實際可有效檢出N3～N9共7個缺陷。以缺陷N7檢測結果為例進行分析，檢測圖譜如圖13和圖14所示。圖13為無缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中只有結構信號顯示。圖14為有人工缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中除了結構信號顯示還有缺陷信號顯示。

圖13 內弧無缺陷區域相控陣超聲檢測S-A掃描圖譜Fig.13 S-A scan pattern for defect-free area of inner arc

圖14 內弧人工缺陷N7相控陣超聲檢測S-A掃描圖譜Fig.14 S-A scan pattern of N7 defects in inner arc

當橫波聲束遇到葉根凹槽時會產生端角(或底部/結構)反射，出現如圖14中S掃描圖中的第一、第二個凹槽端角(或底部/結構)反射信號。當葉根的第一齒根有缺陷時，缺陷信號將出現在第一個凹槽端角反射波、第一個凹槽底部回波之后和第二個凹槽結構反射波之前。當葉根無缺陷時，第一個凹槽端角反射波及第二個凹槽結構反射波之間不會出現信號，如圖13所示。

對缺陷N7信號和噪聲信號波幅進行對比，信噪比達到20.4 dB。

4.3 使用5L10A25探頭在進汽測、出汽側平臺檢內弧側第一齒根

檢測缺陷對象為圖10所示N1～N12中靠近兩端的缺陷，實測可檢出N1～N3、N9～N12共7個缺陷。以缺陷N2檢測結果為例進行分析，檢測圖譜如圖15和圖16所示。圖15為無缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中只有結構信號顯示。圖16為有人工缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中除了結構信號顯示還有缺陷信號顯示。

當橫波聲束遇到葉根凹槽端角時會產生反射，出現如圖16中S掃描圖中的第一、第二個凹槽結構反射信號。當檢測部位有缺陷時，缺陷信號將出現在第一個凹槽和第二個凹槽結構反射波之間。無缺陷時，第一個凹槽與第二個凹槽結構反射波之間不會出現信號，如圖15所示。

圖15 內弧無缺陷區域相控陣超聲檢測S-A掃描圖譜Fig.15 S-A scan pattern for defect-free area of inner arc

圖16 內弧人工缺陷N2 S-A掃描圖譜Fig.16 S-A scan pattern of N2 defect in inner arc

對缺陷N2信號和噪聲信號波幅進行對比，信噪比達到29.5 dB。

4.4 使用5L10B0探頭在進汽測、出汽側平臺檢外弧側第一齒根

檢測缺陷對象為圖10所示W1～W9中靠近兩端的缺陷，探頭沿平臺外弧邊緣移動，實測可檢出W1～W3、W7～W9共6個缺陷。以缺陷W1檢測結果為例進行分析，檢測圖譜如圖17和圖18所示。圖17為無缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中只有結構信號顯示。圖18為有人工缺陷時相控陣檢測圖譜，S掃描圖和A掃描信號中除了結構信號顯示還有缺陷信號顯示。

圖17 外弧無缺陷區域相控陣檢測圖譜Fig.17 Phased array inspection map of the defect-free area of the outer arc

圖18 外弧人工缺陷W1相控陣檢測S-A掃描圖譜Fig.18 S-A scan pattern of W1 defect in outer arc

對缺陷W1信號和噪聲信號波幅進行對比，信噪比大于28.2 dB。

由上可知，通過制作模擬試塊進行實際檢測驗證，根據S掃描圖和A掃描信號，結合葉根剖面圖可有效地檢出葉根第一齒根N1～N9、W1～W12缺陷。通過組合檢測工藝實現了葉根相控陣全覆蓋檢測，為不同型式汽輪機葉根檢測工藝設計提供了重要參考。

5 結論

(1)借助光學三維掃描和Civa聲學仿真計算可有效解決樅樹型葉根無損檢測工藝開發難題。

(2)采用相控陣超聲S掃描圖，利用內外弧葉身和平臺等有限的檢測面，可有效解決在役葉根缺陷檢測，檢測結果顯示直觀。

(3)按照該相控陣組合檢測工藝檢測出的缺陷信號信噪比高，定位精準，能有效實現在役葉根原位檢測。