超声波探伤在叶片变径中的应用

超声波探伤在叶片变径中的应用

1机加工时率大轴的校直1997年9月，中国工厂的#2发动机发生了大轴曲线。由上海汽轮机厂制造的汽轮机型号为C50-90/13-I,大轴的材质为27Cr2MoV,轴长5974mm。大轴在机加工前经过锻造,热处理调质。弯曲发生在第三级叶轮处,第八级叶轮处是大轴的变径较大部位,从Ø591mm突变到Ø404mm。由于在校轴过程中,第一次校直过盈,又进行了第二次反方向校直,大轴受到了正反方向的应力。在大轴变径的应力槽处,极易造成应力集中产生裂纹,为此进行了超声波探伤。2超声波屏上的裂纹要检测的部位如图1所示。可见在汽轮机大轴上进行超声波探伤,其条件比较苛刻,只有在第七级叶轮后,有一段长60mm的光滑圆柱面可放置探头,在轴向只有10mm的距离可以移动。根据几何尺寸,选用了K=3的探头。先用深度法调节仪器,用试块SD-Ⅱ(b)分别在探伤仪的示波屏上调准出深度60mm和120mm的反射波T1和T2的位置,见图2。在现场当探头对准探伤部位,一接触圆柱面,立即在深度85～90mm部位处反射出两个波形,它们分别是圆弧反射波TY和拐角反射波TG,(见图1)。资料介绍:R5弧面反射信号强度要比深0.5mm的裂纹反射信号强26dB〈I〉。为此把圆弧反射波TY调至超声波显示屏上75%波高时,再增益26dB作为探伤裂纹的灵敏度。在实际探伤中,由于TY和TG与需探伤的部位极为接近,当系统增益26dB之后,TY和TG的反射信号极大,使其在显示屏上的波幅极高,底波增宽,完全有可能掩盖住细小裂纹的弱反射信号,以致于无法在显示屏上发现有无细小裂纹存在。这对转轴的安全性来讲是绝对不允许的,能否发现较小裂纹存在是探伤的关键。3缺陷波声程造成转轴经锻造后热处理调质,材质致密均匀,机加工精度高,因此当超声波探头在柱面上沿圆周作匀速运动时,TY和TG波的波幅稳定,高度基本不变。如果在应力槽的下半部有裂纹存在,当它们的缺陷波TT声程与圆弧反射波TY或拐角反射波TG声程相等时,就会引起两反射波能量的叠加,从而引起TY波或TG波的波幅升高。这种现象能否存在?这种现象能否发生在裂纹不太长的情况中?为此在理论上进行了必要的计算和探讨。化简探伤区域的几何尺寸,得图3所示。探伤用的探头前沿10mm,得AB=249mm,BC=85.5mm,应力槽R=5mm,利用勾股弦定理进行计算:拐角波声程TG=AC=AB2+BC2−−−−−−−−−√=2492+85.52−−−−−−−−−−√=263.270(mm)AO=AB2+(BC+CO)2−−−−−−−−−−−−−−−−√=2492+(85.5+5)2−−−−−−−−−−−−−−−√=264.936(mm)拐角波声程ΤG=AC=AB2+BC2=2492+85.52=263.270(mm)AΟ=AB2+(BC+CΟ)2=2492+(85.5+5)2=264.936(mm)圆弧波声程TY=AD=AO-OD=264.936-5=259.936(mm)利用正弦定理求∠β:ABsinβ=AOsinδsinβ=ABAOsinδ=249264.936⋅sin90°∠β=70.026°ABsinβ=AΟsinδsinβ=ABAΟsinδ=249264.936⋅sin90°∠β=70.026°假设一:如果裂纹EF以∠α=30°方向生成,那么∠γ=90°+∠α-∠β=90°+30°-70.026°=49.974°〈i〉当缺陷波声程TT(AF)=TY圆弧波声程(AD)时,根据余弦定理得:AF2=AO2+(OE+EF)2-2·AO·(OE+EF)·cosγ259.9362=264.9362+(5+EF)2-2×264.936×(5+EF)×cosγEF2-330.779EF+945.436=0EF1=2.88(mm)EF2=327.90(mm)舍去〈ii〉当缺陷波声程TT(AF)=TG拐角波声程(AC)时,应用以上同样计算方法得:EF1=-2.40(mm)EF2=333.180(mm)舍去假设二:如果裂纹EF以∠α=45°方向生成,那么∠γ=90°+∠α-∠β=90°+45°-70.026=64.974°<i>当缺陷波声程TT(AF)=TY圆弧波声程(AD)时,得到EF1=7.39(mm)EF2=206.76(mm)舍去<ii>当缺陷波声程TT(AF)=TG拐角波声程(AC)时,得到EF1=-1.00(mm)EF2=215.15(mm)舍去把计算结果进行归纳,列表如下:〈Ⅰ〉要使缺陷波TT(AF)与圆弧波TY相等,波幅升高,那么在不同的方向生成的裂纹,所需的裂纹长度也是不同的。随着∠α增大,对应的裂纹就长。〈Ⅱ〉当缺陷波TT(AF)与拐角波TG声程相等,在∠α=30°或45°时,EF值均为负数。通过作图证明:OF∠OE。随着∠α增大,负数逐渐趋于零。从中受到启发。当继续增大∠α,就完全有可能使EF取得正值,使拐角波TG波幅升高。〈Ⅲ〉通过计算才知道,缺陷波TT在某区域内,不会同时引起TT和TG波幅升高。4各最大的长度分别计算出缺陷波TT与圆弧波TY,缺陷波TT与拐角波TG发生波幅叠加时,∠α的范围及与裂纹EF长度的对应关系。〈Ⅰ〉缺陷波声程与圆弧波声程相等时〈i〉当EF=0时,即TT就是AD。∠α=∠β-90°=-19.974°<ii>∠α=0时,∠γ=90-∠β=19.974°经计算,EF=0.33mm<iii>最大值的计算当以A为圆心,AD(TY)为半径作圆弧,与OF相切,AF⊥OF(图4)那时EF最长,∠α也最大。经计算:EF=46.23(mm)∠α=58.88°〈Ⅱ〉缺陷波声程与拐角波声程相等时<i>当EF=0时(图5)AC=AE=TGOC=OE=半径R5OA为公共边∴△AOC≌△AOE∠γ=∠β∠α=2∠β-90°=50.05°<ii>当∠α=60°时裂纹EF=5.08(mm)<iii>当AF⊥OF,∠α和EF均为最大值经过计算:∠α=63.60°裂纹EF=24.67(mm)归类列出下面两张表格:5裂纹可能出现的区域5.1可以应用缺陷波TT的声程与圆弧波TY,拐角波TG声程相同时,发生波幅叠加的原理,利用TY和TG波幅升高来发现有无裂纹存在。5.2利用圆弧波TY波幅升高,可发现方向∠α在-19.97°～58.88°之间的裂纹,裂纹长0～46.23mm。利用拐角波TG波幅升高,可发现方向∠α在50.05°～63.60°之间的裂纹,裂纹长0～24.67mm。5.3根据TY和TG波幅升高出现的不用区域,可分为三种情况以此来鉴定裂纹可能出现的区域(见表3)。5.4根据TY、TG波幅升高的区域,即裂纹可能发生的范围∠α在-19.97°～63.60°,及能引起波幅升高时裂纹的长度EF:0～46.23mm,安全能满足转轴小裂纹探伤的要求,确保转轴的安全性。在1998年2月,#2汽轮机发生了超速运转(960.r/min),在开缸检修时,我们又应用该方法对转轴第八级叶轮变径拐角的应力槽部位进行了探伤,没发现异常情