汽轮机转子菌形叶片超声相控阵检测

第42卷第2期2013年6月VO142NO2JUN20L3汽轮机转子菌形叶片超声相控阵检测黄桥生，彭碧草，沈丁杰，杨湘伟1湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，长沙410007；2湖南省电力公司科学研究院，长沙410007摘要介绍了汽轮机转子菌形叶片采用超声相控阵方法检测情况，通过汽轮机转子菌形叶片超声相控阵检测技术，掌握叶片缺陷信号的判断方法。检测结果表明超声相控阵检验技术应用效果良好，在保证电厂汽轮机安全、可靠运行上起了重要的作用。关键词叶片；裂纹；超声相控阵检测中图分类号TK266文献标识码A文章编号1672554920130213803RESEARCHFORULTRASONICPHASEARRAYTESTOFSTEAMTURBINESMUSHROOMSHAPEDBLADEHUANGQIAO。SHENG，PENGBICAO，SHENDINGFIE，YANGXIANGWEI1HUNANXIANGDIANBOILERPRESSUREVESSELTESTCENTERLTD，CHANGSHA410007，CHINA；2HUNANELECTRICPOWERCOMPANYTESTSCIENCEINSTITUTE，CHANGSHA410007，CHINAABSTRACTTHEISSUEABOUTULTRASONICPHASEARRAYTESTFORMUSHROOMBLADEOFSTEAMTURBINEISEXPLAINEDTHEINSPECTIONTECHNIQUEOFMUSHROOMSHAPEDBLADEISUSEDTOJUDGETHEBLADEDEFECTSTHERESULTINDICATESTHATTHETECHNIQUEHASGOODEFFECTIVENESSDURINGAPPLICATION，ANDTHEDEVELOPMENTOFTHEBLADESULTRASONICPHASEARRAYTECHNOLOGYISGREATSIGNIFICANCEOFTHEOPERATIONWITHSAFETYANDRELIABILITYOFSTEAMTURBINESKEYWORDSBLADE；CRACK；ULTRASONICPHASEARRAYTEST汽轮机中要求最高、工作量最大的部件是汽轮机转子，转子上需装数以千计的各式各样大小叶片，每一个叶片的叶根在高温、高压、高速运转中，承受着数十吨甚至数百吨的离心力、弯力和扭力，这使得转子在高速旋转的过程可能导致叶片叶根产生裂纹，甚至造成叶根断裂，从而影响到转子的安全运行。菌形叶片的检测现状是在不拆卸叶片的情况下采用超声表面波对叶型进行检测J，采用横波或纵波对叶根进行检测，但是常规叶片的检测存在诸多不完善的地方，给机组的安全运行埋下了很大隐患。因此，开展叶片的超声相控阵检测技术研究，对于提高汽轮机的维护质量，保障汽轮机运行可靠性具有重要的意义。1相控阵研究现状超声相控阵技术源于雷达天线电磁波相控阵技术，最初被用于医疗领域，在上世纪60年代初才被引入到超声自动探伤领域中J。但由于相关技术的限制，该技术直到90年代末期才被广泛认可，并出现了商品化的相控阵探伤仪。近年来，超声相控阵检测与成像技术因其独特的优点已成为工业无损检测学科新的发展方向、新的研究热点。与传统超声检测技术相比，超声相控阵技术的优点有1采用电子方法控制声束聚焦、偏转和扫查，可以在不移动或少移动探头的情况下实现较大角度范围的快速扫查，提高检测效率；2具有良好的声束可达性，能对复杂几何形状的工件进行检测；3通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高；4相控阵技术能实现对缺陷的多种视图成像，检测结果直观，便于对缺陷的识别与判定。因此，超声相控阵检测技术已成为现代无损检测收稿日期20121219修订日期20130412作者简介黄桥生1980，男，湖南衡东人，毕业于郑州大学，工程师，本科，主要从事电力设备检测与失效分析。L固一一薅汽轮机转子菌形叶片超声相控阵检测热力透平中一项令人瞩目的新技术。2检测工艺在在役不拆卸状态下，由于叶片结构复杂，超声检测时随着探头的移动截面尺寸变化大，使得信号识别困难，超声检测时的操作空间也极其有限。检测时所需的声波角度范围大，有几十度的角度范围，使用常规超声检测需要更换几十个探头，劳动强度大，因此无法实现正常检测。探头在不同的检测位置其检测面与齿根易产生缺陷部位的夹角不同，使得相同尺寸的缺陷、回波幅值不一样，检测时灵敏度设置复杂。21探头选用阵列探头是超声相控阵系统重要部件之一。针对不同的部件、不同的检测目的，需要设计不同参数、形式的相控阵阵列探头。工业无损检测应用最为广泛的阵列探头为一维线性阵列探头，线阵探头检测数据处理简便，对仪器硬件要求相对低于面阵探头，易于现场便携式使用。对于薄壁工件可以选择更高的频率，频率越大，图像的分辨率越高，根据叶根检测的特点选取频率为5MHZ。阵元数的增加，可以使声束指向性更好。阵元数越多，主瓣宽度越小，旁瓣幅值也会变小，在N8的情况下，阵元数对旁瓣幅值的影响越来越小。随着阵元数的增加，探头尺寸相对也会增加，综合考虑选取N12，既能满足声束的良好指向性，又能减小探头尺寸。增加阵元间距D，声束的指向性会更好，D的增加，会使主瓣宽度变小，但是，D取值过大，会带入栅瓣，所以可以在不带入栅瓣的情况下，取较大的D值，在N取值确定的情况下选择D04MM。阵元宽度是对指向性影响最小的一个参数，增大A可以在控制方向上增大声压，获得更好的性噪比，适当增大A值，也会使旁瓣变小，但是变小的范围很有限，选择A045。设计探头见表1。表1探头参数22试块选用相控阵探头各个阵元按照聚焦法则进行激发叠加成相应的主声束，但由于各阵元之间存在一定的声学性能差异，同时各阵元声波到达焦点的声程不同，产生的衰减也不同，这些都将导致不同位置的主声束灵敏度存在一定的差异，给缺陷探测和定量带来困难。因此需要使用试块对其进行校准，使各个声束在同一深度位置具有相同的灵敏度。根据叶根检测的深度要求，将灵敏度校准和TCG曲线制作时的试块合二为一，设计YG一1试块，见图1。试块可采用材质均匀、晶粒度高于等于7级的20号钢锻件制作，或采用与被检工件声学性能相同或相近似的材料制成。图中精度005RAM，表面粗糙度RA32。图1试块实物图23检测信号在菌形叶片的叶型边缘、叶型顶部、叶型根部及第一菌处由电火花加工长X深宽分别为1010X05MM的横向人工缺陷，对缺陷位置采用相控阵设备进行扇形扫查，探头平行叶型放置，平行于叶型扫查横向缺陷；探头垂直叶型放置，平行于叶型扫查纵向缺陷；探头垂直叶型顶部，平行于叶型顶部扫查叶型顶部过渡区横向缺陷；探头垂直叶型根部，平行于叶型根部扫查叶型根部过渡区横向缺陷；对带轴封叶根，探头