汽轮机转子菌型叶根相控阵超声波检测的缺陷定量方法

汪 军

(国核电站运行服务技术有限公司,上海200233)

汽轮机转子菌型叶根相控阵超声波检测的缺陷定量方法

汪 军

(国核电站运行服务技术有限公司,上海200233)

对核电站汽轮机中广泛使用的菌型类叶片叶根,采用相控阵超声波技术进行检测,分析了其定量检测结果。通过比对常规超声检测的几类测长方法(－6,－12 d B相对灵敏度法和绝对灵敏度法)来确定适用于菌型叶根的长度测量方法。通过对不同高度缺陷显示的特征分析,归纳出了菌型叶根的高度定量方法。

相控阵;菌型叶根;长度测量;高度测量;缺陷定量

汽轮机是核电站运行中的关键设备,属于在役检查中的重点检测对象,但是长期以来对汽轮机的叶片叶根的体积性缺陷检测十分困难。随着超声波检测新技术的不断提升和完善,相控阵超声波检测技术已经开始应用到汽轮机转子叶根的检测中。

核电站运行期间,汽轮机叶轮和叶片叶根之间的不合理装配容易导致叶根键槽产生应力集中,并导致裂纹的产生。裂纹沿键槽切向生长,然后在强大应力作用下迅速失稳,沿叶片轴向切断[1]。相控阵超声波技术对于菌型叶根切向生长的裂纹具有良好的检出能力,但尚未形成完整的缺陷定量方法。笔者通过引入常规超声的几种定量方法,比较和归纳了适用于汽轮机菌型叶根缺陷的相控阵超声波检测的定量方法。

1 试验方法

1.1 试块

以核电发电站CANDU机组汽轮机高压转子第9级、10级和低压转子第11级、13级菌型叶根为模板制作等比例、同材料的试块。各级菌型叶根试块如图1所示。

在菌型叶根齿槽圆弧面上应力集中最大处设计人工缺陷。为了模拟叶根产生的初期阶段裂纹,将大多数人工缺陷的高度设定为0.5～2 mm。同时,考虑到裂纹初期的生长方向可能具有不确定性,在设计人工缺陷时也拟布置不同倾斜角度的缺陷。人工缺陷设计如表1所示。

图1 各级菌型叶根验证试块外观

表1 菌型叶根人工缺陷设计参数

1.2 探头和聚焦法则

试验采用了两类探头,第一类探头为Olympus生产的Cobra探头,型号为7.5CCEV35-16,楔块SA15-N60S-IH,试验仪器为Olympus Omniscan MX2。Cobra探头为微型高频横波探头,用于菌型叶根相控阵检测。第二类探头为汕头超声公司生产的定制0°纵波探头,型号4L16,不搭配楔块使用,试验仪器为AGI Handyscan。0°纵波探头用于菌型叶根相控阵检测测长的补充检测。

Cobra探头聚焦法则采用16晶片逐一顺序激发,30°～70°角度范围,0.5°角度步进扇形扫查。0°纵波探头亦采用16晶片逐一顺序激发,－40°～40°角度范围,0.5°角度步进扇形扫查。两类探头的聚焦深度分别根据工件实际尺寸设置。

1.3 扫查方式

菌型叶根的扫查面为叶根和叶片交贯的斜面和叶根外露平台,其中第9,10级菌型叶根由于交贯斜面过窄不能作为扫查面。放置相控阵超声波探头,使得主声束轴垂直于叶根与叶轮的装配面,以保证声束面能够正切圆弧面上初期横向生长的裂纹。横波检测时,在可达情况下采用双侧扫查——向叶轮和叶片两侧进行扫查。采用手动扫查对每一齿的键槽逐一线扫,并作适当前后移动。菌型叶根的纵波、横波探头扫查示意如图2,3所示[2]。

图2 菌型叶根的0°纵波探头扫查示意

图3 菌型叶根的横波探头扫查示意

2 常见信号特征

通过分析菌型叶根相控阵超声波的扇形扫查信号,可以得到以下几个特征。

(1)横波检测菌型叶根,至少可以检出0.5 mm高垂直生长的缺陷。其中0.5 mm高并带有倾角45°的缺陷无法检出,但可以在几何结构外观察到缺陷引起的指示信号。当无法观察到齿槽附近有指示信号,却突然观察到不在部件几何结构上的指示信号时,可用0°纵波检测作补充检测。45°倾角,0.5 mm高人工缺陷的不同检测方式的显示如图4所示。

图4 45°倾角,0.5 mm高人工缺陷的不同检测方式的信号示意

(2)使用横波检测菌型叶根有两种扫查方式。探头向叶片方向检测时,叶根的结构信号的位置和裂纹生长位置一致;探头向叶轮方向检测时,叶根的结构信号并非为裂纹的生长位置。

(3)一般而言,探头向叶轮方向作检测时,更容易观察到带有端角反射的端点信号,一般不小于1 mm高度的缺陷都能观察到端点信号。容易观察到带有端角反射的端点信号,可以直观测量缺陷的高度。向叶轮侧检测时,缺陷显示信号示意如图5所示。

图5 向叶轮侧检测时的缺陷显示信号示意

(4)探头向叶片方向作检测时,能观察到高度不小于0.5 mm的缺陷指示信号。向叶身侧检测时缺陷信号示意如图6所示。(5)0°纵波检测菌型叶根时,由于反射的结构信号与缺陷指示信号位置无关,并且小角度的纵波不易产生端角反射。因此,无法利用结构特征测量缺陷高度,也无法适用端点测高法,而只能进行缺陷检出和测长[3]。

3 缺陷长度定量结果

对于菌型叶根(9级、10级、11级、13级)相控阵超声波检测的缺陷长度测量的工艺研究,是通过比对常用的几种超声波测长方法的测量结果,并计算各种测长方法测量结果的方均根误差来确定的,这些测长方法包括－6 dB和－12 dB相对灵敏度法以及绝对灵敏度法。几种长度测量方法的结果比较如图7所示。

除第13级缺陷(编号1～2)由0°纵波扇形检测定量,其余缺陷均由Cobra探头作横波扇形检测,并进行长度测量。每一种测长方法的检验结果为4组不同人员测量结果的平均值。将菌型叶根所有缺陷的长度测量结果综合,作几种测长方法的折线图(见图7)进行比较。可以发现－6 dB法的相对灵敏度测长方法测量结果明显与设计结果更加接近。

图7 菌型叶根几种长度测量方法结果比较

根据误差分析结果,－6 dB长度测量方法的检测结果最精确,检测的方均根误差都小于1 mm。因此,长度测量的方法应该选择－6 dB法。同时根据方均根误差结果分析得到,长度测量误差随着检测部件厚度的增加而随之增加。这种正相关性与波束宽度随着检测声程的增加而相应增加有关。各种菌型叶根长度测量方法的方均根误差比较如表2所示。

表2 各种菌型叶根长度测量方法的方均根误差比较 mm

4 缺陷高度定量结果

根据缺陷显示特征分析,高度测量可以遵循以下原则:

(1)首先观察缺陷是否存在带有端角反射的端点信号。若存在,缺陷高度测量方法优先选择量取端点和端角反射信号差值的方法,优先选择向叶轮侧方向的检测结果。若出现受限于扫查表面,无法发现缺陷信号的情况,则采用向叶片侧的检测结果。

(2)如果无法发现带有端角反射的端点信号,当检测取叶片方向时,即检测第一级齿槽,高度测量方法采用量取缺陷信号和结构信号的高度测量差值。根据信号特征,至少可以检出0.5 mm高垂直生长的缺陷。而0.5 mm高带有倾角45°的缺陷无法检出,但可以观察到缺陷引起几何结构外的指示信号。当齿槽附近无法观察到指示信号,却突然发现不在部件几何结构上的指示信号,可用0°纵波检测作补充,若观察到缺陷信号的指示,则将此类缺陷归为0.5 mm高。

(3)当检测仅取叶轮方向时,无法观察到端角反射的缺陷指示,由于相关的结构信号和缺陷生长起始位置无关,无法通过结构信号量取自身高度。根据信号特征分析,此类缺陷的自身高度都不大于1 mm,可将观察到的信号指示直接归类为1 mm高的缺陷,如图8所示。

图8 采用归类法高度测量的极小缺陷示意

(4)验证试验中的缺陷自身高度测量为缺陷垂直方向的深度,并不考虑缺陷的倾角方向生长高度。利用上述高度测量的原则,分别对各级菌型叶根进行高度测量,将菌型叶根所有缺陷的高度测量结果依序与计入倾角后的修正高度作图进行比较,如图9所示。由比较可见,高度测量整体结果与实际裂纹的自身高度相符。

图9 将缺陷高度测量结果与计入倾角后电火花槽垂直方向的修正高度的比较

(5)将缺陷高度测量结果与计入倾角后电火花槽垂直方向的修正高度进行方均根误差分析,如表3所示。第9级高度测量结果误差为0.2 mm,第10级高度测量结果误差为0.26 mm,第11级高度测量结果误差为0.11 mm,第13级高度测量结果误差为0.45 mm。菌型叶根各级高度测量结果误差可以证明:先采用缺陷端点和端角反射信号进行高度测量,再采用缺陷指示和结构信号进行高度测量,最后采用归类法的原则对菌型叶根的高度进行测量是适用的,并且测量结果的精度较高。

表3 各种菌型叶根高度测量方法的方均根误差分析 mm

5 结语

通过几种长度测量方法的比较,证明－6 d B定量法最适用于菌型叶根的缺陷长度的测量。通过分析不同高度人工缺陷在不同扫查方式下的显示特征,使用归类法进行了高度定量,也证明了该方法的适用性。虽然采用的归类法会造成对于极小类缺陷的高度测量结果偏大,但对于现场应用而言,归类法是安全并行之有效的。

[1] KUBIAZ S J,SEGURA J A,GOZALEZ R G.Failure analysis of the 350 MW steam turbine blade root[J].Engineering Failure Analysis,2009,16(4):1270-1281.

[2] 黄桥生,陈红冬,龙毅,等.汽轮机转子菌形叶根超声相控阵检测[J].无损检测,2012,34(11):74-75.

[3] 范岩成,徐金利.MARKⅡ型叶片叶根相控阵超声波检查信号的分析[J].无损检测,2013,35(4):65-69.

Imperfection Sizing Method of Turbine Straddle Tree Blade Roots Using Phased Array Ultrasonic Technology

WANG Jun
(State Nuclear Power Plant Service Company,Shanghai 200233,China)

This paper studied the imperfection sizing method using the advanced ultrasonic phased array inspection technology for the straddle tree blade roots.Indication length measurement was determined by comparing several conventional indication sizing methods,such as 6dB drop technique,12dB drop technique,and complete drop technique.Appropriate indication height measurement was conducted by analyzing the characteristics of various indications with different heights.

Phased array;Straddle tree blade;Length measurement;Depth measurement;Imperfection sizing

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0019-05

10.11973/wsjc201701005

2016-04-18

汪 军(1984－),男,本科,工程师,主要从事核电站无损检测工作。

汪 军,E-mail:18930176922＠189.cn。