汽轮机叶轮键槽径向裂纹超声波探伤方法

汽轮机叶轮键槽径向裂纹超声波探伤方法

1叶轮键槽径向裂纹的模拟分析近年来，随着发电机的持续老化，导致叶片链式车床断裂的事故。为保障发电机组的安全稳定运行,消除设备的重大隐患,根据青海省火力发电机组叶轮键槽的特点,结合实际,在有关超声波探伤的理论基础上,对汽轮机叶轮键槽径向裂纹进行超声波模拟和实际探伤,总结经验,以便参考应用。2叶片锁的结构和裂缝的原因2.1图1和图2显示了连接介质的结构2.2叶轮键槽r圆角的缺陷叶轮在运行过程中承受很大的切向应力和径向应力,切向应力在内孔边沿最大,而在轴向键槽R圆角处应力将增大2～3倍;若R圆角附近的加工光洁度差或叶轮内孔与轴之间的过盈量过大,都会使汽轮机叶轮键槽R圆角处的应力增加;汽轮机后几级,由于蒸汽湿度较高,如果水质不好,易使叶轮形成应力腐蚀,因此,裂纹都出现在R圆角的圆孤与键槽顶面相接的部位,其裂纹走向与键槽中心线成一定的夹角。有时是单侧裂,有时两侧都裂。3轴承连接槽检测方法3.1装瓶前的准备3.1.1发动机锁槽①通过查阅图纸和资料,搞清楚叶轮的外形和键槽的结构和尺寸。②将被探叶轮的两侧肩部用砂布打磨干净。3.1.2测试块用CSK—IA和SH—I半圆试块。3.1.3钻井仪选用功率大、扫描线性好、分辨率高的超声波探伤仪。3.1.4晶片尺寸小、k值足够小的直接头和5gx的横波斜接头①选择一只灵敏度高、指向性好的2.5MHz,ϕ14mm的直探头和5MHz的晶片尺寸小、K值足够小的横波斜探头。②在试块上测量好斜探头的前沿、折射角和入射点。3.1.5s12rcossc3-1.3.3.3.3.3基础号先入各因素导致下基号中被干情况2,2,4,5,10,10,10,10,10,1010s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s,10s1s,10s1s,10s1s,10s1s,10s1s,10s1s,10s1s,10s1s,10s1s键槽R圆角反射波的最强点是一个非常重要的参数,在探伤前,必须先计算出来,做到心中有数。根据正弦定理(如图3所示):Ssinθ=r1sinβS=sinθsinβ⋅r1⋯⋯⋯(1)sinθ=sin[180−(φ+β)]=sinφcosβ+cosφsinβ(2)Ssinθ=r1sinβS=sinθsinβ⋅r1⋯⋯⋯(1)sinθ=sin[180-(φ+β)]=sinφcosβ+cosφsinβ(2)将(2)代入(1)S=[sinφcosβsinβ+cosφ]⋅r1(3)sinφR=sinβr1sinφ=[Rr1]⋅sinβ(4)S=[sinφcosβsinβ+cosφ]⋅r1(3)sinφR=sinβr1sinφ=[Rr1]⋅sinβ(4)据余弦定理:R2=r2112+S2-2r1·Scosφcosφ=(r21+S2−R2)2r1S(5)cosφ=(r12+S2-R2)2r1S(5)将(4)和(5)代入(3)得:S2−2Rcosβ⋅S+R2−r21=0S=R[cosβ±cos2β−1+(r1R)2−−−−−−−−−−−−−−√]S2-2Rcosβ⋅S+R2-r12=0S=R[cosβ±cos2β-1+(r1R)2]因φ>90°,故根号部分取负值。键槽R圆角反射波最强点的计算公式:S=R[cosβ−cos2β−1+(r1R)2−−−−−−−−−−−−−−−√]S=R[cosβ-cos2β-1+(r1R)2]3.2中毒的步骤3.2.1回波高度的修正叶轮键槽探伤中,以在键槽R圆角处发现0.5mm深的裂纹作为探伤灵敏度。横波反射,宽为Wf长条反射波高的近似公式:Hw=FsWf2λ3(a+l2)3√⋅cosβcosαΗw=FsWf2λ3(a+l2)3⋅cosβcosα横波反射,直径为Df、长为Lf的横孔反射波高的近似公式:Hd=FsLf2(a+l2)2⋅cosβcosα⋅Dfλ3−−√Ηd=FsLf2(a+l2)2⋅cosβcosα⋅Dfλ3圆角R与0.5mm裂纹的分贝差:△=20lgHdHw=20lgLfWfDf2(a+l2)−−−−−√△=20lgΗdΗw=20lgLfWfDf2(a+l2)若:令圆角R=5mm,即Df=10mm,键槽长Lf=50mm,裂纹宽度Wf=0.5mm,入射点到缺陷的距离a=130mm,虚构源轴线在透声楔内的长度(横波)l2=8mm。△=20lg500.5102(130+8)−−−−−−√=25.6(dB)△=20lg500.5102(130+8)=25.6(dB)当圆角R改变时,可以按下面公式进行修正:20lgH10Hϕ=10lg10ϕ20lgΗ10Ηϕ=10lg10ϕ式中:H10——直径为10mm圆角的回波高度;Hϕ——直径为ϕmm圆角的回波高度。具体方法如下:将斜探头置于叶轮轮毂肩部,找到R圆角最强反射波(J波)达到80%基准高,然后提高26dB,灵敏度就调整好了。3.2.2叶轮键槽尺寸测量①用直探头找出键槽的位置,定出中心点,并做标记。②准确测量叶轮键槽的尺寸(有时图纸与实际尺寸不符)。③探伤过程中,应做好详细记录。事先做一标尺,沿轮毂肩部贴好,标尺“0”对准键槽中心。3.2.3及时复探可疑信号将斜探头置于叶轮轮毂肩部前后移动进行探测,观察圆角R的反射波J波之前一定声程范围内有无可疑信号。如果没有可疑信号,探伤工作就结束。若发现可疑信号,则必须进一步仔细地复探。复探时,绘制X—A、τ—A动态波形曲线和声程图,借以来分析判别裂纹波。X——探头在轮毂肩部入射点距键槽中心的距离;τ——探伤仪显示的距离;A——反射波波高值,以键槽圆角R最强反射J波的百分比表示。4f波的变化4.1F波最强点的XF(离中心点“0”的距离)均<J波最强点的XJ。4.2F波最强点的τF一般≤J波的最强点的τJ。4.3前后移动探头,F波变化平稳,左右移动探头,F波起伏变化,F波清晰,且较强。4.4从有裂纹的一侧探测时,也会出现F波,但这时其动态范围小,波高较低,且在J波降落过程中出现,在J波之后。4.5F波的存在,破坏了两侧的对称性。5其他非缺陷回波叶轮键槽探伤中,超声波示波屏上除了上述的J波和F波外,还会出现其它一些非缺陷回波。例如:变形波、表面波、透入波等。这些回波信号干扰对F波的正确判断,其总的原则是:在示波屏上,非缺陷回波总在J波之后。6裂缝波f波的再验叶轮在发电厂属于大型设备,探伤误判将会带来严重的经济损失,因此当判别为裂纹缺陷时,还要用其它方法进行复验。6.1非缺陷回波的反射特性叶轮键槽圆角R处存在裂纹时,改变探头的角度和频率,均可以获得良好的反射条件,裂纹的特征不会变化,但其它非缺陷回波信号则会由探头角度和频率的改变而发生变化。6.2可疑信号为裂纹用两个斜探头进行探测,如图4所示,先将仪器置于单探头工作位置,用发射探头找到发现信号最强点,然后将仪器调至双探头工作位置,适当移动探头,如果示波屏出现较强的反射波,即可证明可疑信号为裂纹。7模拟测试和现场测试7.1中毒条件(1)超声波清洗机CTS—22型(2)测试对象CKS—IA(3)返回5MHz;ϕ14直探头和5MHz,13×9K0.8;前沿18mm斜探头,折射角β=38.7°。7.2试验结果及分析加工一个半径R=290mm、r=190mm、键槽宽度W=40mm、高度h=10mm、键槽圆角R5、模拟裂纹深度4mm的叶轮模拟试样。声程计算:S=R[cosβ−cos2β−1+(r1R)2−−−−−−−−−−−−−−−√]=141(mm)S=R[cosβ-cos2β-1+(r1R)2]=141(mm)试验结果如下:键槽圆角J波和缺陷F波对比表见表1。A=HiH0×100%=10△20×100%A=ΗiΗ0×100%=10△20×100%其中:H0—基准波高(J波);Hi—所测信号波高;—所测信号与J波的分贝差;即:△=[H]-[J]7.3现场试验7.3.1声程计算试验结果R=325mm、r=230mm、W=50mm、h=11.5mm、R5的圆角。声程计算:S=R[cosβ−cos2β−1+(r1R)2−−−−−−−−−−−−−−−√]