汽轮机转子叶轮反T型槽实时成像检测技术

江野+刘文生+宋利+贾少威+王东

摘 要：文章对汽轮机转子叶轮轮缘反T型槽结构特点及裂纹特征进行研究分析，结合其结构特点及裂纹特征，对超声相控阵换能器及楔块进行优化设计，并通过仿真模拟试验和理论研究对检测工艺进行优化。选取某火电厂汽轮机低压转子叶轮轮缘具有自然裂纹缺陷的部位制作对比试块进行试验验证，结果表明该技术灵敏度高、成像直观、易于判断，满足反T型槽在役检测的要求。

关键词：反T型槽；实时成像；超声相控阵；汽轮机转子；叶轮

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.029

0 前言

汽轮机转子叶轮反T型槽结构强度较小，长期处于高温、高压环境中，受到到离心力、激振力、疲劳、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用[1]，在应力集中部位容易出现裂纹，这些缺陷的产生将加大机组运行风险，随着机组运行时间的增加，裂纹一旦扩展造成高速转动部件断裂失效，会带来巨大的经济损失和可能的人身伤害[2]。因此，在役汽轮机转子质量检测十分重要。由于汽轮机转子叶轮轮缘反T型槽的结构特殊，采用常规A显示脉冲超声波检测不易对缺陷进行定位识别，缺陷分辨力较低，检测结果不易判别，容易造成漏检和误检[3]。文章主要通过对汽轮机转子叶轮反T型槽结构特点及裂纹特征的分析，对超声相控阵实时成像检测技术进行了深入研究，通过优化相控阵换能器、楔块、检测工艺参数和成像效果等创新手段，提高检测灵敏度和检测效率，并使检测结果更直观，缺陷定位更准确。

1 反T型槽结构特点及裂纹特征

汽轮机叶轮反T型槽具有结构简单、加工方便的优点，但其所承受應力较小，强度仅能满足较短叶片的工作需要，普遍使用在中大型火电机组汽轮机转子较短叶片上。在工作时，汽轮机叶片主要受以下几种力：（1）蒸汽作用力；（2）自身质量的离心力；（3）起停时的交变应力；（4）运行时的震动受力；（5）频繁调峰的交变热应力。叶片的T型叶根插入叶轮反T型槽中，其受力通过根部作用于叶轮反T型槽，使反T型槽四个内角产生应力集中。汽轮机叶轮反T型槽的四个内角均为有一定弧度的圆角，其中内侧两个圆角的半径较大，外侧两个圆角R的半径较小，经长时间运行外侧圆角易产生裂纹缺陷，因此该部位为重点检测区域[4]。

反T型槽裂纹产生的原因主要有两种：腐蚀疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹。叶轮反T型槽在腐蚀介质和循环应力的共同作用下，由于轮槽内角处有应力集中现象，而在内角处出现腐蚀疲劳裂纹，裂纹在内角区域呈群发特征，开口很宽，为穿晶形裂纹，直线扩展，略有分叉，尖端圆润。由于叶轮叶根轮槽内角加工的不规范，在使用时有较大的应力集中，叶轮材料在特定的腐蚀介质中长期使用而出现了应力腐蚀现象，出现应力腐蚀裂纹，裂纹在内角区域呈单发特征，裂纹曲折、细小，有较多分支为沿晶形裂纹，尖端尖锐。汽轮机叶轮反T型槽裂纹产生时间集中，扩散速度快，初期裂纹形成方向与外侧平面约成50°～60°，随着裂纹的扩展，出现裂纹分支，主裂纹方向逐渐与外侧平面逐渐接近90°方向。

2 超声相控阵检测工艺优化

2.1 声束角度设置

汽轮机转子叶轮轮缘反T型槽外侧表面平滑，可移动范围大，方便操作，可以作为超声相控阵检测的扫查面。为了提高裂纹的检测灵敏度，应保证超声声束与刚产生的裂纹成90°方向，由于裂纹形成初始方向与外侧平面成50°～60°角，所以要调整探头放置位置，使覆盖反T型槽外侧圆角区域A的声束入射角度在50°～60°之间，如图1所示。为了对缺陷进行较为准确的定位，则需要有相应的特征波来实现定位，经分析发现反T型槽内侧圆角区域C与反T型槽结构轮缘小脚的斜面D的反射波可以作为特征波，如图2所示。经仿真模拟发现起始角度为25°，终止角度为70°时，声束可以实现A、B、C区域的全覆盖。

2.2 换能器的优化

在工业无损检测领域，以线阵换能器的应用为主，其设计的基本原则：最小化主瓣宽度、消除栅瓣、抑制旁瓣[5]。理论上阵元数量越多，主瓣宽度越小，指向性越好，但同时会提高换能器的造价和检测系统的复杂性，通过分析阵元主瓣宽度的关系可知，16阵元的换能器既满足使用性能，造价又不高。常用的超声波频率范围在0.5～10MHz之间，超声波频率越高，分辨率越好，检测灵敏度越高，但同时能量衰减越大，有效检测范围越小。汽轮机叶轮轮缘反T型槽厚度一般不超过30mm，所需扫查范围不大，且要求能在裂纹扩展初期尽早发现，对分辨力的要求较高，因此换能器选择较高频率7.5MHz。

2.3 楔块的优化

针对汽轮机叶轮反T型槽，楔块入射角的选择主要遵循：（1）声束入射角应介于第一临界角、第二临界角之间，满足在工件中全横波扫查要求；（2）使声束在被检工件中的折射角刚好扫查裂纹起源区域，即声束折射角应在50°～60°范围内。

根据斯涅耳定律计算可知，要使工件中的横波声束角度在50°～60°，则楔块入射角应在33.6°～38.8°之间；要满足全横波扫查要求，则楔块入射角应在23.3°～46.3°之间。综上，楔块入射角应选择36°。

2.4 检测灵敏度

经模拟研究发现，对于反T型槽裂纹缺陷的检测，其主要扫查声束角度为50°～60°。利用超声波探伤专用试块CSK-IIIA，测得55°声束扫查不同深度φ1通孔反射波高80%时的增益值，见表1。考虑检测面光滑度和对细小裂纹的检测的需求，实际检测灵敏度一般增益6dB～10dB最佳。

3 试验研究

3.1 对比试块

截取某火电机组汽轮机低压转子套装叶轮轮缘其中一部分作为本次试验的对比试块，其反T型槽长a=52，宽b=26，厚δ=23mm，材质为34CrNi1Mo，加工成型的试块照片如图3示。其中反T型槽试块B侧的外侧圆角区域存在深约2mm的自然裂纹，裂纹通过着色探伤检测隐约可见，处于扩展早期，如图4所示。

3.2 试验结果及分析

本次试验仪器采用PHASCAN相控阵检测仪，换能器：7.5S16-0.5×10-D10，楔块：SD2-N55S（36°）。具体检测参数详见表2：

当探头放置在A侧检测面时，出现两个特征波，特征波1为内侧圆角的反射波，特征波2为轮缘小脚斜面的反射波，两个特征波在反T型槽二维模型上的位置，与反射面在试块上的位置完全对应，如图5所示。当探头放置在B侧检测面时，除了出现两个特征波，在外侧圆角区域出现一个明显的缺陷反射信号，其在反T型槽二维模型上的位置，与裂纹在试块上的位置完全对应，如图6所示。

从试验效果可知，该检测系统对于反T型试块外侧圆角部位长约2mm的自然裂纹裂纹有很高的灵敏度，在反T型槽二维模型的相应位置呈现出清晰的缺陷反射图像，检测结果准确易识别。

4 结语

本文基于超声相控阵技术实现了汽轮机叶轮反T型槽实时成像检测，结合反T型槽结构特点及裂纹特征对换能器、楔块和检测工艺参数进行了优化。通过试验验证表明，该方法具有较高的灵敏度，检测结果直观、可靠，能够在裂纹扩展早期及时检出，具有较高的实用价值。

参考文献：

[1]严益民，胡正飞，林富生等.汽轮机转子30Cr1Mo1V钢长期服役状态下的高温疲劳行为[J].材料工程，2012（11）：38-41，96.

[2]常文爽.低压汽轮机叶轮轮缘裂纹的超声相控阵检测[D].天津大学，2012.

[3]宋绍河，杨景建，巩向伟等.汽轮机轮缘裂纹超声波探伤方法研究[J].无损探伤，2005，29（02）：33-34.

[4]吕胜军，马德举，辛建彬等.汽轮机叶轮轮缘反T型叶根槽裂纹的超声波探伤[C].第八届全国电站焊接学术讨论会论文集，2001：217-220.

[5]詹湘琳，陈世利，张宇等.超声相控阵在管道缺陷检测中的优化设计[J].仪器仪表学报，2006，27（z2）：1581-1582.

作者简介：江野（1990-），男，湖北枝江人，助理工程师，主要从事电力行业金属监督及无损检测新技术的应用研究。endprint