核電汽輪機(jī)樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)研究

朱 琪 ，胡為祖，徐 寧，章雅林 ，葛廣林

(1.安徽津利能源科技發(fā)展有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000；2.中國能建工程研究院相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用研究所，安徽 合肥 230000；3.安徽省特種設(shè)備協(xié)會(huì)，安徽 合肥 230051；4.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000；5.中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100020)

0 引言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在長期高速運(yùn)行過程中，葉根承受著高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽彎曲應(yīng)力、激振力、疲勞腐蝕、振動(dòng)以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用，其失效形式主要是在齒根部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞裂紋，葉根的圓角或棱角處是應(yīng)力腐蝕缺陷的高發(fā)區(qū)域[1]。美國Cooper 核電站和South Texas Unit 2 核電站就曾發(fā)生多起因汽輪機(jī)葉片損傷導(dǎo)致的緊急停堆、停工事故。核電大修期間，葉片一般固定在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上，相鄰葉片之間的間距較為狹小，采用手動(dòng)超聲和手動(dòng)相控陣超聲檢測僅能葉根端部缺陷，若大修工期較緊，則需要在更狹小的汽缸內(nèi)完成檢測，因此，手動(dòng)超聲和手動(dòng)相控陣超聲檢測，并不能滿足檢測需求。

常見的葉根型式包括菌型葉根、叉型葉根、樅樹型葉根(圓弧、直線)和T 型葉根，其中，樅樹型葉根在國內(nèi)核電站中的應(yīng)用較為廣泛。本文系統(tǒng)總結(jié)自主研制的核電汽輪機(jī)樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的工藝方法、自動(dòng)化掃查裝置、檢測步驟、檢測系統(tǒng)驗(yàn)證和應(yīng)用。

1 樅樹型葉根相控陣超聲檢測系統(tǒng)

樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)主要包括相控陣超聲檢測工藝方法和自動(dòng)化掃查裝置，相控陣超聲檢測工藝方法負(fù)責(zé)檢測樅樹型葉根中部和端部區(qū)域的缺陷，自動(dòng)化掃查裝置負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)相控陣超聲探頭沿著預(yù)定軌跡移動(dòng)。

1.1 相控陣超聲檢測工藝方法

葉根的圓角或棱角處是應(yīng)力腐蝕缺陷的高發(fā)區(qū)域，樅樹型葉根應(yīng)力集中區(qū)域主要為第一齒根(Hook1)和第二齒根(Hook2)[2]，尤其是Hook1應(yīng)力集中最嚴(yán)重，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕缺陷；該區(qū)域是葉根檢測重點(diǎn)關(guān)注的部位，葉根模型和Hook1區(qū)域如圖1 所示。

圖1 樅樹型葉根示意圖

樅樹型葉根和葉身不同部位的表面曲率不同，采用常規(guī)超聲技術(shù)需要多個(gè)不同折射角探頭分別進(jìn)行檢測[3]，檢測效率低。相控陣超聲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)、聚焦和多種掃描方式，檢測效率高[4]。相控陣超聲成像檢測有利于幾何反射信號和缺陷信號的識別，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，在葉片葉根檢測中的應(yīng)用最廣泛[5]。

在役汽輪機(jī)樅樹型葉根檢測一般需要在不拆卸的條件下完成。手動(dòng)相控陣超聲僅能從進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)2 個(gè)肩臺(tái)位置檢測葉根端面缺陷，葉根中部區(qū)域因檢測空間受限，無法手動(dòng)檢測。因此，研制樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在狹小空間內(nèi)檢測葉根重點(diǎn)檢測區(qū)域的缺陷。

樅樹型葉根結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可放置探頭的位置僅有葉根進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺(tái)，以及葉根和葉身相接的弧面[6]，因此，需要選擇合適的扇掃描角度范圍，并分析扇掃描范圍中不同偏轉(zhuǎn)角的檢測靈敏度和分辨率差異，將檢測靈敏度和分辨率的最優(yōu)偏轉(zhuǎn)角范圍設(shè)置在樅樹型葉根第一齒根附近。

樅樹型葉根檢測面曲率不均，嚴(yán)重影響與探頭楔塊接觸面的耦合效果。因此，分析楔塊曲率與葉根表面曲率的耦合關(guān)系，保證檢測工藝的靈敏度至關(guān)重要。

1.1.1 扇掃描有效角度范圍

為滿足相控陣檢測精度要求，通過仿真分析研究得出最佳的扇掃描偏轉(zhuǎn)角度范圍。

參考我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測 第15 部分：相控陣超聲檢測》[7]，相控陣超聲扇掃描的偏轉(zhuǎn)角度范圍一般選擇楔塊折射角±20°。若相控陣超聲楔塊折射角為60°，即扇掃描角度范圍為40°～80°，則相控陣超聲的聲束偏轉(zhuǎn)角度超出一定值時(shí)，聲束的能量下降，焦區(qū)偏移，聲束變形，會(huì)造成檢測靈敏度下降，易發(fā)生漏檢。

以偏轉(zhuǎn)角為60° 的楔塊搭配頻率為7.5 MHz，晶片數(shù)為16 個(gè)，晶片間距為0.5 mm的相控陣探頭為例。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為60°時(shí)，主聲束能量最強(qiáng)，檢測靈敏度最好；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角超過72°時(shí)，聲束變形較大，且主聲束能量減小，檢測靈敏度下降[8]。而實(shí)際檢測中，由于相控陣超聲探頭加工導(dǎo)致的誤差，以及連接儀器后系統(tǒng)組合性能偏差的影響，聲場變形和能量降低的效果可能會(huì)更嚴(yán)重，因此，相控陣超聲檢測扇掃描角度范圍應(yīng)不超過70°，楔塊主聲束偏轉(zhuǎn)角應(yīng)設(shè)置在樅樹型葉根第一齒根附近。

1.1.2 楔塊曲率和葉根表面曲率的耦合關(guān)系

樅樹型葉根相控陣超聲現(xiàn)場檢測中，葉根表面的曲率是變化的，無法按照葉根表面的曲率1∶1 加工楔塊。

楔塊與葉根表面曲率不匹配的情況可分為2 種：若楔塊本身曲率半徑大于葉根表面曲率半徑，造成楔塊兩邊與葉根表面本身存在一定的間隙，聲束的主要能量還是能通過中間接觸良好的區(qū)域?qū)肴~根中，對于耦合不會(huì)有太大影響。而楔塊本身曲率半徑小于葉根表面曲率半徑的情況則不同，間隙對檢測結(jié)果誤差較大，采用Civa 仿真軟件對間隙為0 mm、間隙＜0.5 mm 和間隙＞0.5 mm 這3 種情況仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 耦合間隙大小對檢測聲場的影響

由圖2 仿真結(jié)果可知：1)當(dāng)楔塊與葉根表面間隙＜0.5 mm 時(shí)，聲場的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度基本沒有變化，但是當(dāng)楔塊與葉根表面間隙＞0.5 mm時(shí)，聲場的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均發(fā)生了較大變化，主要是由于間隙的存在形成了透鏡效應(yīng)，造成了聲場分布的變化；2)當(dāng)楔塊曲率半徑大于葉根表面曲率半徑時(shí)，耦合間隙對聲場結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度影響較少；3)當(dāng)楔塊曲率半徑小于葉根表面曲率半徑時(shí)，耦合間隙需要嚴(yán)格控制，否則對耦合效果影響較大。

因此，樅樹型葉根相控陣超聲檢測時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇與葉根表面曲率相匹配的楔塊，或選擇曲率半徑大于葉根表面曲率半徑的楔塊，且間隙T小于0.5 mm，以減少檢測過程中耦合間隙波動(dòng)和楔塊傾斜引起的定量誤差。

1.1.3 檢測位置和參數(shù)的選擇

樅樹型葉根采用相控陣超聲檢測，可放置探頭的區(qū)域包括進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺(tái)，以及葉根和葉身相接的弧面，相控陣超聲扇掃描有效偏轉(zhuǎn)角度范圍較小。為保證樅樹型葉根第一齒根的檢測靈敏度，將楔塊偏轉(zhuǎn)角設(shè)置第一齒根附近，此時(shí)扇掃描有效偏轉(zhuǎn)角度范圍可覆蓋至第二齒根。樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)采用3 組相控陣探頭6 個(gè)檢測序列，分別從6 個(gè)位置檢測葉根的第一齒根和第二齒根，將相控陣探頭分別放置在內(nèi)弧面、外弧面對應(yīng)的肩臺(tái)和弧面處，如圖3 所示。

圖3 檢測序列示意圖

檢測序列1 是將相控陣探頭放置內(nèi)弧面檢測外弧面葉根的第一齒根和第二齒根，檢測序列2 是將相控陣探頭放置外弧面檢測內(nèi)弧面葉根的第一齒根和第二齒根。由于葉根曲面和楔塊曲率的耦合影響，在滿足穿透的情況下，盡量采用陣元孔徑尺寸較小的探頭，避免耦合不良導(dǎo)致靈敏度下降。檢測序列1、2 選用編號為L5L12 的相控陣探頭進(jìn)行橫波扇掃描檢測，激發(fā)波束的折射角度范圍為40°～70°，探頭頻率為5 MHz，晶片數(shù)為12 個(gè)，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為6 mm，楔塊折射角為65°。

檢測序列3 將相控陣探頭放葉根進(jìn)汽側(cè)檢測葉根內(nèi)弧面第一齒根和第二齒根，檢測序列4將相控陣探頭放葉根進(jìn)汽側(cè)檢測葉根外弧面第一齒根和第二齒根。葉片進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺(tái)為光滑的平面，檢測位置距離被檢區(qū)域聲程較遠(yuǎn)，因此，采用陣元孔徑尺寸較大的探頭，提高穿透力。檢測序列3、4 選用編號為L5L16的相控陣探頭進(jìn)行橫波扇掃描檢測，激發(fā)波束的折射角度范圍為40°～70°，探頭頻率為5 MHz，晶片數(shù)為16 個(gè)，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為10 mm，楔塊折射角為55°。

檢測序列5 將相控陣探頭放葉根出汽側(cè)檢測葉根內(nèi)弧面第一齒根和第二齒根，檢測序列6將相控陣探頭放葉片出汽側(cè)檢測葉根外弧面第一齒根和第二齒根。檢測序列5 的探頭位置與葉根齒根幾乎在一條垂直線上，因此，需采用縱波扇掃描進(jìn)行檢測，激發(fā)波束的折射角度范圍為-30°～30°，選用編號為L5L16 的相控陣探頭，探頭頻率為5 MHz，晶片數(shù)為16 個(gè)，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為10 mm，楔塊折射角為0°。檢測序列6 激發(fā)參數(shù)與檢測序列4 一致。

1.2 自動(dòng)化掃查裝置

檢測系統(tǒng)中的自動(dòng)化掃查裝置，主要作用是固定探頭，并驅(qū)動(dòng)探頭沿預(yù)定的軌跡掃查移動(dòng)。樅樹型葉根進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺(tái)空間較小，檢測序列3、4、5 和6 主要用于檢測葉根端部和距離端部一段距離的截面，采用手動(dòng)掃查檢測效率更高，自動(dòng)化掃查裝置主要用于完成檢測序列1 和檢測序列2，如圖4 所示。

圖4 檢測序列1和2自動(dòng)化掃查模型圖

自動(dòng)化裝置主要由控制箱、導(dǎo)軌、檢測小車以及輔助裝置組成。控制箱連接外置電機(jī)，通過外接便攜式遙控，控制檢測小車的移動(dòng)速度和啟停，還可實(shí)現(xiàn)可疑位置的定點(diǎn)檢測和小范圍數(shù)據(jù)采集檢測。

自動(dòng)化掃查裝置導(dǎo)軌的弧度曲面與葉根弧面完全一致，檢測過程中緊貼在葉根內(nèi)外弧面，保證相控陣探頭沿導(dǎo)軌移動(dòng)檢測。導(dǎo)軌式可拆卸裝置，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和尺寸的葉根，制作對應(yīng)的導(dǎo)軌進(jìn)行自動(dòng)化檢測。

2 檢測系統(tǒng)驗(yàn)證和應(yīng)用

采用Civa 仿真和試塊驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的可行性、可靠性和穩(wěn)定性。Civa 仿真用于相控陣超聲檢測工藝對樅樹型葉根齒根處缺陷的回波響應(yīng)效果，模擬試塊用于模擬實(shí)際的檢測過程。

2.1 Civa仿真驗(yàn)證

相控陣超聲扇掃描聲束對樅樹型葉根第一齒根處缺陷Civa 仿真檢測結(jié)果見圖5。

圖5 6個(gè)檢測序列對葉根第一齒根超聲回波仿真結(jié)果

由圖5 可知，采用6 個(gè)檢測序列激發(fā)相控陣超聲扇掃描檢測，均能清晰顯示缺陷回波，且信號無畸變分辨率良好。Civa 仿真檢測主要驗(yàn)證相控陣超聲束在理想情況下是否能檢出缺陷，并反映處不同超聲偏轉(zhuǎn)角對缺陷的成像特征，如要得出檢測系統(tǒng)在葉根檢測成像的缺陷信噪比和幾何結(jié)構(gòu)信號干擾等信息，則需要通過模擬試塊驗(yàn)證檢測。

2.2 試塊驗(yàn)證

模擬試塊是按照被檢工件材料和尺寸1∶1制作且含有人工反射體的葉片葉根，人工反射體是按照5∶1設(shè)計(jì)的月牙槽，用于模擬裂紋缺陷，在試塊外弧面和內(nèi)弧面的第一次齒根處分別加工12 個(gè)人工反射體。為了真實(shí)模擬現(xiàn)場檢測情況，額外加工了葉根底座和前后2 個(gè)模擬試塊，將檢測系統(tǒng)安裝在模擬試塊上進(jìn)行自動(dòng)化相控陣超聲檢測數(shù)據(jù)采集。

模擬試塊6 個(gè)檢測序列的相控陣超聲檢測C 掃圖譜如圖6 所示。

圖6 各檢測序列相控陣檢測C掃圖譜

1)模擬試塊中的人工反射體基本都能檢出，部分人工反射體信號顯示受幾何結(jié)構(gòu)信號干擾。

2)檢測序列1、2 受內(nèi)外弧面幾何結(jié)構(gòu)的影響，在C 掃成像中存在明顯幾何結(jié)構(gòu)信號，在圖像中顯示為2 道較長的月牙線。模擬試塊中的人工反射體信號分布在幾何結(jié)構(gòu)信號的附近，信號顯示較為明顯，在圖像評定時(shí)，應(yīng)避免幾何結(jié)構(gòu)信號的干擾。

3)檢測序列3、4 同樣受內(nèi)外弧面幾何結(jié)構(gòu)的影響，在圖像中顯示2 條明顯的幾何結(jié)構(gòu)信號圖像，由于探頭位置相對葉根齒根距離變化不明顯，因此，月牙槽信號始終保持在2 道幾何結(jié)構(gòu)信號圖像之間，區(qū)分較為容易。

4)檢測序列5 采用相控陣超聲縱波扇掃描檢測，基本不受幾何結(jié)構(gòu)信號的干擾，人工反射體信號顯示清晰。檢測序列6 相控陣超聲束檢測聲程小，幾何結(jié)構(gòu)信號與人工反射體信號間存在一定的聲程差，基本不干擾人工反射體信號的識別。

采用傳統(tǒng)超聲和相控陣超聲技術(shù)僅能檢測模擬試塊中進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)的2～4 個(gè)端部人工反射體，模擬試塊中部的人工反射體無法檢出。樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)可將模擬試塊中的12 個(gè)人工反射體全部檢出，在現(xiàn)場檢測中，具有更高的缺陷檢出率。

2.3 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)在廣東陽江核電站、福建寧德核電站和深圳大亞灣核電站的機(jī)組大修工程中應(yīng)用。傳統(tǒng)超聲和手動(dòng)相控陣超聲檢測汽輪機(jī)葉片葉根，需要將轉(zhuǎn)子從汽缸內(nèi)吊裝移動(dòng)至專用支架上進(jìn)行檢測，整個(gè)過程耗時(shí)15 d 以上。而樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在汽缸內(nèi)對樅樹型葉根進(jìn)行自動(dòng)化檢測，檢測周期僅耗時(shí)8 d；與傳統(tǒng)手動(dòng)檢測方法相比，應(yīng)用樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)節(jié)約了7 d 以上的工期，而且檢測范圍更廣。

3 結(jié)語

整套汽輪機(jī)樅樹型葉根相控陣自動(dòng)化檢測系統(tǒng)在多個(gè)核電站的大修工程中得到應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)樅樹型葉片葉根所有截面的相控陣超聲自動(dòng)化檢測，該系統(tǒng)主要針對樅樹型葉根的第一齒根和第二齒根。下一步將研究相控陣超聲全聚焦檢測技術(shù)應(yīng)用于葉根檢測，完成葉根截面所有齒根的全覆蓋檢測，同時(shí)利用面陣探頭的大偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)一步縮減檢測序列，優(yōu)化自動(dòng)化檢測裝置。