汽轮机低压转子——叶根超声波探伤技术

刘长青， 刘钧

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 引言

汽轮机低压转子的特点是安装着多级长叶片，其末级可包括多达120枚长度为1m、重量超过15kg的叶片。当机组在3000r/min下满负荷运行时，低压转子的末级叶片要承受高达几吨的离心力和扭矩的作用。叶片固定在转子上的最普遍方法就是弧形枞树型叶根（CAEFTR），这是既能保证高效叶型动力学特性，又能克服机械作用力的理想形状。CAEFTR极易发生应力腐蚀裂纹、高周疲劳裂纹或低周高应变疲劳等故障。如果这些叶片在运行期间出现故障并从转子上断裂飞脱，就会使转子造成灾难性的事故，可能会导致爆裂，带来产生人身事故和附带损伤的风险。

在本文中，概括介绍了一些为克服检查此类复杂部件难点而新研发的探伤技术，阐明了提高CAEFTR检查覆盖率的创新措施，证明通过联合应用各种先进技术、仿真软件和新颖的检查设计，提高了对多种类型转子的检查覆盖率。

2 弧形枞树型叶根（CAEFTR）

2.1 薄弱区

应力腐蚀裂纹已成为CAEFTR的最常见的缺陷，其主要因素是环境条件或水的化学性能欠佳。然而，也有一此疲劳裂纹的实例，由于它们具有快速扩展的趋势，产生更为严重的后果，甚至可能导致叶片断裂飞脱转子。有限元分析表明：叶根的顶部咬合齿是应力最集中的区域，也是最可能出现裂纹导致整枚叶片飞脱转子的区域。然而，在某些情况下，有限元分析也表明叶根第二个咬合齿以下是应力最集中的区域。

2.2 可用的扫查（探头放置）位置

由于CAEFTR的结构具有复杂的几何形状，进行超声波检查时的可用扫查位置有限，不同的叶片结构就有不同的扫查位置：有些叶片具有宽阔的中间体凸台可用于扫查，而有些叶片就几乎没有中间体凸台。然而，对所有叶片来说，叶身（叶片工作部分）是共有的，可以作为主扫查面，覆盖大部分检查范围。

2.3 相控阵超声波检查（PAUT）

通过叶身、中间体凸台和叶根端面仔细操纵超声波传感器（探头），就可以实现轴向扫查覆盖叶根。为了以最有效的综合方式扫查关键检查区域，采用了相控阵超声波探伤技术（PAUT）。为了充分利用PAUTR能力优势，需要以积极重复的方式将传感器非常精确地定位在确定的、可重复的待检表面上。这是所面临的最大挑战，因为对现场的汽轮机面言，只能接近叶片出汽侧的叶根。

3 扫查的辅助设施和特定的检查方案

为了增大转子CAEFTR缺陷的检查覆盖范围和探伤灵敏度、并降低相关的开发时间和成本，制定了一些检查方案，其中有些是独特的方案。

3.1 探头夹具和扫查组件

由于很难在现场接近有限的待检表面，因而开发了特制的楔块，用以放置在汽轮机叶片上非常有限的平整位置，提供适当的超声波折射；这种楔块还有一个辅助的、但又是至关重要的功能，就是适应叶片表面的几何形状，起到定位作用。

3.2 利用叶身对叶根的机械化扫查

利用叶身从相对叶根齿的方向CAEFTR叶根的探伤，可以覆盖大部分区域。但是，利用叶身进行扫查时受到级间开档的限制，要手动操纵PAUT传感器相当困难；而且还必须使声束或传感器斜移以补偿叶身与叶根几何形状的失配，这样才能优化叶根齿的几何反射，使探伤缺陷的灵敏度最大化。

3.3 固定式持续扫查楔块

利用叶身进行叶根扫查的技术，以提高PAUT传感器的扫查覆盖率、灵敏性和耦合性。

4 结语

通过机械化扫查框架和楔块的创新设计，大大增大了对CAEFTR待检区的覆盖范围。采用先进仿真软件工具，结合建模能力以及快速原型设计技术，促进了定制探头夹具的生产；能使PAUT传感器实现过程定位，扫查最关键的叶根区域，并大幅提高了覆盖范围。

采用斜移PAUT传感器等创新技术的定制扫查框架，可以探伤级间开档很小的转子。而进一步创新开发的柔性扫查框架，还可以对新结构的转子进行现场探伤，并且造价比固定式框架更低，供货周期更短。

如本文所述，持续扫查楔块的应用，不再需要在沿叶身对叶根进行扫查时斜移PAUT传感器；此外，还能使它与扫查表面的耦合达到理想化，有助于实现单一行扫查，提高对以往无法探伤区微小缺陷的灵敏度，不需要对2D阵列探头进行改造，但仍能保持现有的技术和便携性。

汽轮机现场探伤在降低维修成本和停机时间方面起到关键作用，并提高了早期检出缺陷的能力。与传统的探伤方法相比，本文所述的一些解决措施提供了更先进的CAEFTR检测能力，不但增大了扫查覆盖率，而且为电站管理大幅降低了检查成本。