密封瓦燕尾槽的超声相控阵检测

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(1.西安热工研究院有限公司，西安 710032;2.西安益通热工技术服务有限责任公司, 西安 710032)

目前，国内300 MW或600 MW等级氢冷汽轮发电机组的密封油系统多以双流环式为主，其具有氢气侧与空气侧油路相对独立运行的特点[1]。双流环式汽轮发电机密封瓦布置于发电机的两端，靠流动的高压油来密封氢气，起到防止氢气泄漏、冷却与润滑转子的作用[2]，且其合金层形状多为燕尾槽结构(见图1，黄色箭头为高压油的流动方向)。然而，由于密封油系统的复杂性加大了运行的难度，所以密封瓦磨损脱黏的事故频发。因此，笔者尝试采用超声相控阵检测方法对密封瓦脱黏缺陷进行试验，并对脱黏层反射回波进行了理论验证。

图1 密封瓦合金层燕尾槽结构示意

1 检测对象

1.1 合金层脱黏缺陷成因分析

密封瓦燕尾槽合金层产生脱黏缺陷的原因有[3]：① 制造过程中的机加工切削速度和切削量失控会使背衬材料存在内应力，浇铸前并未去除局部应力；② 背衬材料表面存在毛刺、尖角、裂纹、缩松、夹渣等缺陷，严重影响了结合面的粗糙度；③ 背衬材料表面沾污及浇铸温度过低使合金层与基体黏合不良；④ 在运行交变载荷及热膨胀应力的作用下，结合面处缺陷或局部结合不良部位的巴氏合金面积发生扩展，并逐渐从衬背上脱落。

1.2 发电机密封瓦燕尾槽重点检测区域

密封瓦基体为高锡青铜材料，外部由锡基巴氏合金层(ZSnSb8Cu4)包裹，合金厚度约为3 mm。密封瓦燕尾槽合金层结合面示意如图2所示，高压油分别通过空气侧的竖直孔和氢气侧的斜孔进入密封瓦中，并受压力作用，在密封瓦合金层与发电机转子之间的缝隙形成油膜，密封作用最重要的区域位于合金层两侧，即图2中B，C，F，D，E，H区域。因此，密封瓦燕尾槽在制造及运行检测过程中，合金层的脱黏缺陷是无损检测的重点关注区域。

图2 密封瓦燕尾槽合金层结合面示意

2 密封瓦超声相控阵检测的优点

图3 密封瓦脱黏位置的直探头超声A扫描波形

2.1 传统检测方法的不足

针对合金层脱黏缺陷的检测，通常采用直探头和双晶直探头，但由于密封瓦燕尾槽的结构特殊，双晶直探头不能在结合面聚焦，对于结合面C，D更是无法检测。图3为密封瓦脱黏位置的直探头超声A扫描波形，由图3可以看出，脱黏缺陷回波较难分辨。这是由于当合金层厚度范围在1～5 mm时，合金层界面处于盲区与近场区内[4]，盲区内缺陷无法识别，近场区内缺陷回波易受近场和信噪比的干扰，缺陷极易漏检。因此，目前对密封瓦合金层的常规无损检测方法为表面渗透检测，该检测方法作为检查结合面脱黏缺陷的补充手段，只可对合金层与瓦背结合线的表面开口型缺陷进行检测，而对于更为严重的早期内部脱黏缺陷却无法检测。

2.2 超声相控阵检测

表1为密封瓦燕尾槽超声相控阵与常规无损检测方法的特点比较，由表1可以看出，密封瓦燕尾槽采用超声相控阵检测具有可检面多、检出率高的优点。这是由于超声相控阵的多个压电晶片按一定的规律分布排列，通过设定相应的聚焦法则，逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，使入射超声波形成一个整体波阵面，有效地控制发射声束(波阵面)的形状和方向(见图4)，实现超声波波束的偏转与聚焦，提高缺陷的检出率；并可以根据需要设置超声波入射角度范围，对常规超声方法难以检测的复杂结构和受限区域进行检测。

表1 密封瓦燕尾槽超声相控阵与常规无损检测方法的特点比较

图4 超声相控阵声束聚焦原理示意

密封瓦合金层检测时可以利用超声相控阵的聚焦功能，使用线阵探头，对结合面C，D深度位置进行聚焦，实现该区域的扫查检测。超声波声束由巴氏合金层进入铜基体，在合金层与铜基体界面(B，E结合面)发生透射与反射，一次反射回波被探头接收形成一次界面波图像；一次透射波穿过铜基体，并在铜基体与合金层的界面(C，D结合面)再次发生透射与反射，二次反射回波形成二次界面波图像，二次透射波最终到达底面，形成底面回波图像。超声相控阵探头在C,D结合面的扫查示意如图5所示，图中左侧为未脱黏区域，右侧为二次界面脱黏区域。

图5 超声相控阵探头在C，D结合面的扫查示意

3 检测工艺

3.1 检测条件

针对密封瓦燕尾槽合金层的特殊结构，基于巴氏合金声程衰减较小的特点，为了降低脉冲宽度，减小盲区的干扰，提高检测灵敏度，应尽可能采用频率较高的探头。另外，适当提高仪器电压也可起到提高检测灵敏度[5]的目的。仪器主要配置参数如表2所示。

表2 超声相控阵试验仪器配置参数

3.2 检测灵敏度

使用ZW-I试块校准相控阵仪器的A扫描水平线性[6]，并对合金层厚度为3 mm的试块进行扫查，以脱黏位置能出现清晰的4次回波，并提高6 dB作为扫查灵敏度[7-8]。

3.3 对比试块

选用标准DL/T 297-2011《汽轮发电机合金轴瓦超声波检测》中轴瓦ZW-I与密封瓦人工缺陷两种对比试块。

(1) 由于ZW-I对比试块与被检密封瓦的合金层材料相同，所以ZW-I可作为密封瓦一次界面脱黏缺陷的对比试块。

图6 密封瓦本体人工脱黏缺陷试块结构示意

(2) 在密封瓦本体上加工脱黏缺陷，试块结构示意如图6所示。其中,红色区域为人工脱黏缺陷，甲侧位置用来模拟B，E，F，G，H面厚3 mm的一次界面脱黏缺陷，乙侧位置可以用来模拟C，D面厚12 mm的二次界面脱黏缺陷。

4 波形分析

(1) 图7为密封瓦试块3 mm厚合金层界面(即B,E,F,G,H位置)的相控阵扫查结果，对比脱黏与未脱黏的波形可知，脱黏层可通过声束聚焦直接检测，脱黏位置存在多次底波反射，回波显示间距相等并呈指数衰减，在S扫描中呈现由黄色向蓝色过渡的特点。图8为ZW-I试块3 mm厚合金层界面的S扫结果，通过对比图7与图8可以看出，其脱黏图形几乎与密封瓦3 mm厚合金层的脱黏图形一致。

图7 密封瓦试块3 mm厚合金层界面(B、E、F、G、H位置)S扫查结果

图8 ZW-I试块3 mm厚合金层界面的S扫查结果

图9 密封瓦试块C，D位置人工缺陷S扫查结果

(2) 图9为12 mm厚合金层界面(即C，D位置)的S扫查结果，对比脱黏与未脱黏的图形可知，未脱黏区域一次声程范围内存在3个回波，分别为一次界面波、二次界面波和底面反射波；当扫查至脱黏区域，底波反射逐渐减弱，一次声程范围内回波位置与数量发生变化，脱黏时的二次界面回波受脱黏缺陷的影响，近乎底波反射，反射声压增强，在S扫描中呈现逐渐变亮、变红的趋势。

5 结果验证

选择密封瓦模拟脱黏试块，将相控阵探头置于对比试块脱黏层上方，如图6(甲侧)所示。利用脱黏层一次与二次回波校准仪器，从而得到复合层巴氏合金声速为3 846m·s-1。

由于巴氏合金与铜基体是两种不同的金属材料，其声速差异较大[9]，将探头置于密封瓦汽侧，如图6(丙侧)所示，在一次声程范围内存在3个反射回波，如图9(a)所示。由于声速是物体的固有属性，若由回波1处声压和回波2处声压求得的声速c巴与巴(巴为实测巴氏合金声束，c巴为计算的巴氏声速)相等，则可以证明回波一为巴氏合金层与铜基体的一次界面回波，验证了波形分析的结果。

当仪器的垂直线性良好时，示波屏上的波高与声压成正比[10]，即

HA/HB=PA/PB=1.23

(1)

式中：HA为A界面示波屏上的反射波高；HB为B界面示波屏上的反射波高；PA为A界面的回波声压；PB为B界面的回波声压。

复合层巴氏合金声阻抗Z巴小于铜基体的声阻抗Z铜，在一次界面处，超声波由巴氏合金层向铜基体传播，反射声压P0rA(rA为A界面的声压反射率)与入射声压P0同相位，界面A处反射波与入射波叠加,合成声压为P0+P0rA，PA的表达式为

(2)

在二次界面处，超声波由铜基体向巴氏合金层传播，反射波声压P0tArB与入射波声压P0tA相位相反，反射波与入射波合成声压减小，合成声压PB的表达式为

(3)

式中：tA为A界面的声压透射率；rB为B界面的声压反射率。

铜基体的声阻抗Z铜与巴氏合金复合层声阻抗Z巴分别为

Z铜=ρ铜c铜

(4)

Z巴=ρ巴c巴

(5)

式中：ρ铜为铜的密度；c铜为铜的声速；ρ巴为巴氏合金的密度。

已知ρ铜=8.9 g·cm-3，c铜=4 700 m·s-1，ρ巴=7.38 g·cm-3，将式(4)与式(5)代入式(2)与式(3)，联立式(1)，(2)，(3)，得到c巴=3 882 m·s-1。考虑到超声波传播过程中的衰减与测量误差，可认为c巴与巴近似相等。

另外，基于计算结果，一次界面和二次界面的声压往复透射率为

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可知，一次界面与二次界面的声压往复透射率较大，由于声压往复透射率的高低直接影响检测灵敏度的高低，且往复透射率越高，检测灵敏度越高。

6 结论

密封瓦燕尾槽B，C，D，E，F，G，H位置的脱黏缺陷均可通过超声相控阵检测达到检测的目的，且可得到比常规A扫描更加清晰直观的扫查显示；在常规A扫描无法分辨波形的情况下，通过超声相控阵可提高检测灵敏度，改善信噪比，提高脱黏缺陷的检出率。