相控阵超声波检测技术在汽轮机叶根检测中的应用

初 希，欧阳权

(中电华创电力技术研究有限公司，江苏 苏州 215000)

随着火力发电机组装机容量日益增加，600 MW及1 000 MW机组成为大型火力发电企业的主力机组。汽轮机转子叶片作为高速转动部件，随着电力机组服役时间的增长和调峰频率的增加，其运行环境和受力状况更加复杂，易因制造缺陷、材料性能等因素发生断裂事故。

汽轮机转子的转动部分主要由叶片和叶根组成。叶根作为连接汽轮机轮缘和叶片的连接部分，需要保证在任何工况下都能够将叶片牢靠固定在汽轮机叶轮上。如果这些叶片在运行期间出现故障并从转子上断裂飞脱，就会给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[1]。

相控阵超声波检测技术相比于传统超声波检测技术，集多角度换能器于一体，可有效提高汽轮机叉型叶根、枞树型叶根等复杂金属部件缺陷的检出率。

1 相控阵超声波检测原理及特点

相控阵换能器由多个小的压电晶片按照一定序列组成一个阵列，通过电子系统控制换能器阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则发射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中的偏转和聚焦来实现材料的无损检测。波的形成和扫查见图1。

图1 相控阵超声波检测原理

相控阵超声波检测技术较常规超声方法具有以下优点。

a. 检测速度快。相控阵线性扫查比常规探头的光栅扫查快得多，显著地减少了工厂的停工期，也节省了费用。

b. 检测方法灵活。单个相控阵探头根据设置工件不同采用不同的扫查方式，就可以检测不同的部件。

c.可检测复杂面。相控阵可以检测几何形面复杂的试块，例如采用自动检测可以轻而易举地检测焊缝和槽；相控阵技术也可以采用各种扫查方式，例如双轴式、多种角度式、多种模式、分区扫查。

d.阵列尺寸小。小晶片的阵列在具体检测中易于应用，例如用在检测空间受限的管道、叶轮等工件中[2]。

2 相控阵超声波检测技术应用

2.1 叉形叶根检测

汽轮机转子叉形叶根主要应用于汽轮机高、中、低压转子各级叶根。通过有限元分析计算表明：叶根的插销环绕区域是应力最集中区域，由于汽轮机叶根的运行参数影响，该种型式裂纹具有快速扩展趋势[3]。

图2为汽轮机叉型叶根的结构示意图，1、2处为汽轮机高速运转下的应力集中区域，易出现裂纹缺陷，是检修过程中对叶根进行无损探伤的重点监测部位。试验根据图2制作汽轮机叉型叶根试块，并在图2中1、2位置各制作一个宽0.5 mm、深0.3 mm的横穿孔作为人工缺陷，模拟工况条件下易出现的裂纹缺陷。

图2 叉型叶根试块

试验选用型号为5L16-CA00-SXT的探头，不采用楔块，试验仪器为Olympus OmniscanMX2。首先，将探头放置于上部检测区域，对无人工缺陷的汽轮机叉型试块进行无损检测(见图3a)，其中深色显示为叉型试块两侧面弧形区上端角结构回波；之后，对设计制作有人工缺陷汽轮机叉型叶根进行相控阵无损检测(见图3b)，对比图3a、图3b，除相同的结构反射波之外，带有人工缺陷的叉型试块检测图中能明显看到缺陷发射波，即使用相控阵无损探伤方法能够对汽轮机叉型叶根易出现裂纹缺陷的应力集中区进行检测。

图3 叉型叶根相控阵检测

采用相控阵超声波探伤对汽轮机叉型叶根进行探伤，通过控制换能器各阵元的聚焦、扫查，用软件分析获得的试验数据，试验叉形叶根的二维成像检测，使检测结果简单直接，从而提升缺陷检出率。

2.2 枞树型叶根检测

汽轮机枞树型叶根具有间距窄、叶根与叶身交界处变截面长、承载能力强、装拆方便等优点，但是其强度计算相对复杂,成型刀加工时精度要求比较高。主要应用于汽轮机低压缸转子末级、次末级叶根。在汽轮机运行过程中，叶片根部受到的应力主要有离心拉应力，蒸汽弯应力和偏心弯应力[4]。枞树型叶根的各项应力在齿根处变大，通常在第一或第二齿根表面位置应力达到极大值。断裂叶根裂纹绝大多数均出现在第一齿根内弧或外弧部位，因此第一齿根的内弧外弧部位为检测的重点，在此应力集中区域内易形成平行于检测平面的应力腐蚀裂纹，由于汽轮机叶根的运行参数及环境参数影响，该种型式裂纹有快速扩展趋势直至该叶根完全断裂。

图4为汽轮机枞树型叶根的结构示意图，图中1、2处为汽轮机高速运转枞树型叶根下易出现裂纹缺陷的位置，其中第一齿的根部为应力最集中区域，即检修过程中对叶根进行无损探伤的重点监测部位。设计与制作枞树型叶根试块，并在1、2处位置设计制作2条模拟人工缺陷，深0.3 mm，宽0.5 mm，从而模拟汽轮机枞树型叶根易出现的裂纹缺陷。

图4 汽轮机枞树型叶根试块

试验选用探头和仪器与叉形叶根相一致。首先，将探头放置于上部检测区域对无人工缺陷的汽轮机枞树型叶根试块进行无损检测(见图5a)，其中两侧齿牙弧面具有较强的超声反射信号；然后，对设计制作有人工缺陷汽轮机枞树型叶根进行相控阵无损检测(见图5b)，对比图5a、图5b可以看出，除相同的结构反射之外，带有人工缺陷的枞树型叶根试块能明显看到缺陷发射波，尤其对与探头所处位置同侧的人工缺陷反射回波比较明显，能够反映缺陷的具体位置，即使用相控阵无损探伤方法能够对汽轮机枞树型叶根易出现裂纹缺陷的应力集中区进行检测。

图5 枞树型叶根相控阵检测

使用相控阵超声波探伤仪能够在不拆卸的情况下对发电企业汽轮机枞树型叶根进行无损探伤，而且该种检测方法简单、直观，具有较强的实用价值。

3 结语

通过使用相控阵超声波检测技术对汽轮机叉型叶根和枞树型叶根的无损探伤应用，可以得出以下结论。

a.使用相控阵超声波检测技术可以实现对汽轮机叶根的覆盖检测。

b.使用自动检测装置可以实现叶根检测数据与检测位置的对应，数据成像直观，有助于对回波信号的判读。

c.使用超声相控阵模拟软件，可以为工艺制定、缺陷识别提供帮助。

d.使用三维软件对复杂结构件进行分析，可以方便检测工艺的制定。