核电汽轮机枞树型叶根相控阵自动化检测系统研究

朱 琪 ，胡为祖，徐 宁，章雅林 ，葛广林

(1.安徽津利能源科技发展有限责任公司，安徽 合肥 230000；2.中国能建工程研究院相控阵检测技术应用研究所，安徽 合肥 230000；3.安徽省特种设备协会，安徽 合肥 230051；4.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215000；5.中国能源建设集团有限公司工程研究院，北京 100020)

0 引言

汽轮机转子叶片在长期高速运行过程中，叶根承受着高温、高压、巨大的离心力、蒸汽弯曲应力、激振力、疲劳腐蚀、振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用，其失效形式主要是在齿根部位产生应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹，叶根的圆角或棱角处是应力腐蚀缺陷的高发区域[1]。美国Cooper 核电站和South Texas Unit 2 核电站就曾发生多起因汽轮机叶片损伤导致的紧急停堆、停工事故。核电大修期间，叶片一般固定在汽轮机转子上，相邻叶片之间的间距较为狭小，采用手动超声和手动相控阵超声检测仅能叶根端部缺陷，若大修工期较紧，则需要在更狭小的汽缸内完成检测，因此，手动超声和手动相控阵超声检测，并不能满足检测需求。

常见的叶根型式包括菌型叶根、叉型叶根、枞树型叶根(圆弧、直线)和T 型叶根，其中，枞树型叶根在国内核电站中的应用较为广泛。本文系统总结自主研制的核电汽轮机枞树型叶根相控阵自动化检测系统的工艺方法、自动化扫查装置、检测步骤、检测系统验证和应用。

1 枞树型叶根相控阵超声检测系统

枞树型叶根相控阵自动化检测系统主要包括相控阵超声检测工艺方法和自动化扫查装置，相控阵超声检测工艺方法负责检测枞树型叶根中部和端部区域的缺陷，自动化扫查装置负责实现相控阵超声探头沿着预定轨迹移动。

1.1 相控阵超声检测工艺方法

叶根的圆角或棱角处是应力腐蚀缺陷的高发区域，枞树型叶根应力集中区域主要为第一齿根(Hook1)和第二齿根(Hook2)[2]，尤其是Hook1应力集中最严重，易发生应力腐蚀缺陷；该区域是叶根检测重点关注的部位，叶根模型和Hook1区域如图1 所示。

图1 枞树型叶根示意图

枞树型叶根和叶身不同部位的表面曲率不同，采用常规超声技术需要多个不同折射角探头分别进行检测[3]，检测效率低。相控阵超声技术可以实现大角度偏转、聚焦和多种扫描方式，检测效率高[4]。相控阵超声成像检测有利于几何反射信号和缺陷信号的识别，提高检测结果的准确度，在叶片叶根检测中的应用最广泛[5]。

在役汽轮机枞树型叶根检测一般需要在不拆卸的条件下完成。手动相控阵超声仅能从进汽侧和出汽侧2 个肩台位置检测叶根端面缺陷，叶根中部区域因检测空间受限，无法手动检测。因此，研制枞树型叶根相控阵自动化检测系统，实现在狭小空间内检测叶根重点检测区域的缺陷。

枞树型叶根结构较复杂，可放置探头的位置仅有叶根进汽侧和出汽侧肩台，以及叶根和叶身相接的弧面[6]，因此，需要选择合适的扇扫描角度范围，并分析扇扫描范围中不同偏转角的检测灵敏度和分辨率差异，将检测灵敏度和分辨率的最优偏转角范围设置在枞树型叶根第一齿根附近。

枞树型叶根检测面曲率不均，严重影响与探头楔块接触面的耦合效果。因此，分析楔块曲率与叶根表面曲率的耦合关系，保证检测工艺的灵敏度至关重要。

1.1.1 扇扫描有效角度范围

为满足相控阵检测精度要求，通过仿真分析研究得出最佳的扇扫描偏转角度范围。

参考我国能源行业标准NB/T 47013.15—2021《承压设备无损检测 第15 部分：相控阵超声检测》[7]，相控阵超声扇扫描的偏转角度范围一般选择楔块折射角±20°。若相控阵超声楔块折射角为60°，即扇扫描角度范围为40°～80°，则相控阵超声的声束偏转角度超出一定值时，声束的能量下降，焦区偏移，声束变形，会造成检测灵敏度下降，易发生漏检。

以偏转角为60° 的楔块搭配频率为7.5 MHz，晶片数为16 个，晶片间距为0.5 mm的相控阵探头为例。当偏转角为60°时，主声束能量最强，检测灵敏度最好；当偏转角超过72°时，声束变形较大，且主声束能量减小，检测灵敏度下降[8]。而实际检测中，由于相控阵超声探头加工导致的误差，以及连接仪器后系统组合性能偏差的影响，声场变形和能量降低的效果可能会更严重，因此，相控阵超声检测扇扫描角度范围应不超过70°，楔块主声束偏转角应设置在枞树型叶根第一齿根附近。

1.1.2 楔块曲率和叶根表面曲率的耦合关系

枞树型叶根相控阵超声现场检测中，叶根表面的曲率是变化的，无法按照叶根表面的曲率1∶1 加工楔块。

楔块与叶根表面曲率不匹配的情况可分为2 种：若楔块本身曲率半径大于叶根表面曲率半径，造成楔块两边与叶根表面本身存在一定的间隙，声束的主要能量还是能通过中间接触良好的区域导入叶根中，对于耦合不会有太大影响。而楔块本身曲率半径小于叶根表面曲率半径的情况则不同，间隙对检测结果误差较大，采用Civa 仿真软件对间隙为0 mm、间隙＜0.5 mm 和间隙＞0.5 mm 这3 种情况仿真，仿真结果如图2 所示。

图2 耦合间隙大小对检测声场的影响

由图2 仿真结果可知：1)当楔块与叶根表面间隙＜0.5 mm 时，声场的结构和强度基本没有变化，但是当楔块与叶根表面间隙＞0.5 mm时，声场的结构和强度均发生了较大变化，主要是由于间隙的存在形成了透镜效应，造成了声场分布的变化；2)当楔块曲率半径大于叶根表面曲率半径时，耦合间隙对声场结构和强度影响较少；3)当楔块曲率半径小于叶根表面曲率半径时，耦合间隙需要严格控制，否则对耦合效果影响较大。

因此，枞树型叶根相控阵超声检测时，应优先选择与叶根表面曲率相匹配的楔块，或选择曲率半径大于叶根表面曲率半径的楔块，且间隙T小于0.5 mm，以减少检测过程中耦合间隙波动和楔块倾斜引起的定量误差。

1.1.3 检测位置和参数的选择

枞树型叶根采用相控阵超声检测，可放置探头的区域包括进汽侧和出汽侧肩台，以及叶根和叶身相接的弧面，相控阵超声扇扫描有效偏转角度范围较小。为保证枞树型叶根第一齿根的检测灵敏度，将楔块偏转角设置第一齿根附近，此时扇扫描有效偏转角度范围可覆盖至第二齿根。枞树型叶根相控阵自动化检测系统采用3 组相控阵探头6 个检测序列，分别从6 个位置检测叶根的第一齿根和第二齿根，将相控阵探头分别放置在内弧面、外弧面对应的肩台和弧面处，如图3 所示。

图3 检测序列示意图

检测序列1 是将相控阵探头放置内弧面检测外弧面叶根的第一齿根和第二齿根，检测序列2 是将相控阵探头放置外弧面检测内弧面叶根的第一齿根和第二齿根。由于叶根曲面和楔块曲率的耦合影响，在满足穿透的情况下，尽量采用阵元孔径尺寸较小的探头，避免耦合不良导致灵敏度下降。检测序列1、2 选用编号为L5L12 的相控阵探头进行横波扇扫描检测，激发波束的折射角度范围为40°～70°，探头频率为5 MHz，晶片数为12 个，晶片间距为0.5 mm，晶片宽度为6 mm，楔块折射角为65°。

检测序列3 将相控阵探头放叶根进汽侧检测叶根内弧面第一齿根和第二齿根，检测序列4将相控阵探头放叶根进汽侧检测叶根外弧面第一齿根和第二齿根。叶片进汽侧和出汽侧肩台为光滑的平面，检测位置距离被检区域声程较远，因此，采用阵元孔径尺寸较大的探头，提高穿透力。检测序列3、4 选用编号为L5L16的相控阵探头进行横波扇扫描检测，激发波束的折射角度范围为40°～70°，探头频率为5 MHz，晶片数为16 个，晶片间距为0.5 mm，晶片宽度为10 mm，楔块折射角为55°。

检测序列5 将相控阵探头放叶根出汽侧检测叶根内弧面第一齿根和第二齿根，检测序列6将相控阵探头放叶片出汽侧检测叶根外弧面第一齿根和第二齿根。检测序列5 的探头位置与叶根齿根几乎在一条垂直线上，因此，需采用纵波扇扫描进行检测，激发波束的折射角度范围为-30°～30°，选用编号为L5L16 的相控阵探头，探头频率为5 MHz，晶片数为16 个，晶片间距为0.5 mm，晶片宽度为10 mm，楔块折射角为0°。检测序列6 激发参数与检测序列4 一致。

1.2 自动化扫查装置

检测系统中的自动化扫查装置，主要作用是固定探头，并驱动探头沿预定的轨迹扫查移动。枞树型叶根进汽侧和出汽侧肩台空间较小，检测序列3、4、5 和6 主要用于检测叶根端部和距离端部一段距离的截面，采用手动扫查检测效率更高，自动化扫查装置主要用于完成检测序列1 和检测序列2，如图4 所示。

图4 检测序列1和2自动化扫查模型图

自动化装置主要由控制箱、导轨、检测小车以及辅助装置组成。控制箱连接外置电机，通过外接便携式遥控，控制检测小车的移动速度和启停，还可实现可疑位置的定点检测和小范围数据采集检测。

自动化扫查装置导轨的弧度曲面与叶根弧面完全一致，检测过程中紧贴在叶根内外弧面，保证相控阵探头沿导轨移动检测。导轨式可拆卸装置，根据不同结构和尺寸的叶根，制作对应的导轨进行自动化检测。

2 检测系统验证和应用

采用Civa 仿真和试块验证检测系统的可行性、可靠性和稳定性。Civa 仿真用于相控阵超声检测工艺对枞树型叶根齿根处缺陷的回波响应效果，模拟试块用于模拟实际的检测过程。

2.1 Civa仿真验证

相控阵超声扇扫描声束对枞树型叶根第一齿根处缺陷Civa 仿真检测结果见图5。

图5 6个检测序列对叶根第一齿根超声回波仿真结果

由图5 可知，采用6 个检测序列激发相控阵超声扇扫描检测，均能清晰显示缺陷回波，且信号无畸变分辨率良好。Civa 仿真检测主要验证相控阵超声束在理想情况下是否能检出缺陷，并反映处不同超声偏转角对缺陷的成像特征，如要得出检测系统在叶根检测成像的缺陷信噪比和几何结构信号干扰等信息，则需要通过模拟试块验证检测。

2.2 试块验证

模拟试块是按照被检工件材料和尺寸1∶1制作且含有人工反射体的叶片叶根，人工反射体是按照5∶1设计的月牙槽，用于模拟裂纹缺陷，在试块外弧面和内弧面的第一次齿根处分别加工12 个人工反射体。为了真实模拟现场检测情况，额外加工了叶根底座和前后2 个模拟试块，将检测系统安装在模拟试块上进行自动化相控阵超声检测数据采集。

模拟试块6 个检测序列的相控阵超声检测C 扫图谱如图6 所示。

图6 各检测序列相控阵检测C扫图谱

1)模拟试块中的人工反射体基本都能检出，部分人工反射体信号显示受几何结构信号干扰。

2)检测序列1、2 受内外弧面几何结构的影响，在C 扫成像中存在明显几何结构信号，在图像中显示为2 道较长的月牙线。模拟试块中的人工反射体信号分布在几何结构信号的附近，信号显示较为明显，在图像评定时，应避免几何结构信号的干扰。

3)检测序列3、4 同样受内外弧面几何结构的影响，在图像中显示2 条明显的几何结构信号图像，由于探头位置相对叶根齿根距离变化不明显，因此，月牙槽信号始终保持在2 道几何结构信号图像之间，区分较为容易。

4)检测序列5 采用相控阵超声纵波扇扫描检测，基本不受几何结构信号的干扰，人工反射体信号显示清晰。检测序列6 相控阵超声束检测声程小，几何结构信号与人工反射体信号间存在一定的声程差，基本不干扰人工反射体信号的识别。

采用传统超声和相控阵超声技术仅能检测模拟试块中进汽侧和出汽侧的2～4 个端部人工反射体，模拟试块中部的人工反射体无法检出。枞树型叶根相控阵自动化检测系统可将模拟试块中的12 个人工反射体全部检出，在现场检测中，具有更高的缺陷检出率。

2.3 工程应用

该系统在广东阳江核电站、福建宁德核电站和深圳大亚湾核电站的机组大修工程中应用。传统超声和手动相控阵超声检测汽轮机叶片叶根，需要将转子从汽缸内吊装移动至专用支架上进行检测，整个过程耗时15 d 以上。而枞树型叶根相控阵自动化检测系统能够实现在汽缸内对枞树型叶根进行自动化检测，检测周期仅耗时8 d；与传统手动检测方法相比，应用枞树型叶根相控阵自动化检测系统节约了7 d 以上的工期，而且检测范围更广。

3 结语

整套汽轮机枞树型叶根相控阵自动化检测系统在多个核电站的大修工程中得到应用，可以实现枞树型叶片叶根所有截面的相控阵超声自动化检测，该系统主要针对枞树型叶根的第一齿根和第二齿根。下一步将研究相控阵超声全聚焦检测技术应用于叶根检测，完成叶根截面所有齿根的全覆盖检测，同时利用面阵探头的大偏转角度进一步缩减检测序列，优化自动化检测装置。