在役枞树型叶根原位相控阵超声检测技术∗

季昌国 余 超

(华北电力科学研究院有限责任公司 北京 100045)

0 引言

枞树型叶根呈楔齿状，叶片沿转子轴向装入轮缘枞树型槽中。由于枞树型叶根承载能力大、适应性好，在300 MW、600 MW火电机组中得到了广泛的使用。在机组运行中，叶根承受着高温、高压、巨大的离心拉应力、挤压应力、切应力、蒸汽弯曲应力、安装引起的弯曲应力等，容易产生应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹[1]。在运行中一旦叶片根部发生断裂将会造成巨大的经济损失和可能的人员伤亡。

火电行业标准DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》[2]第12.2.3条要求“机组每次A级检修时对低压末三级叶根、高中压末一级叶根进行无损探伤”。对于大容量机组，上述要求的叶根大多数均为枞树型叶根。机组检修时叶根一般是不可拆卸的，各叶片之间间距狭小，传统超声检测操作空间受限制，且枞树型叶根结构复杂，其叶身和叶根轮廓都沿着各自的曲线变化，即使相邻几毫米其截面尺寸的变化也非常大[3]，超声检测所需的角度范围大，回波信号难以判别。

近年来，由于在复杂结构和声束可达性差的金属部件缺陷检测上的优越性，相控阵超声检测技术已广泛使用在电力、航空和化工等领域[3−8]。部分技术人员逐渐将相控阵超声用在汽轮机枞树型叶根检测中。范岩成[9]对核电低压转子末级叶片叶根进行超声相控阵检查，核电叶片结构尺寸较大，声束传播和检测实施相对容易。黄桥生等[10]将相控阵探头放置在叶片外弧面靠近根部区域，采用横波扇扫检测内弧根部部分区间缺陷；初希等[1]将相控阵探头放置在叶根外侧与叶片连接处的外露平台上，采用纵波扇扫检测；欧阳权等[11]将相控阵探头放置在叶根上表面肩部外露平台，以点状扫查为主。以上研究者在设计实验时仅对叶根局部区域进行检测研究，未验证检测工艺是否能完全覆盖到整个叶根区域，并且机组检修中叶片装配在叶轮上，根部区域间距窄，检测实施困难。刘宇哲等[12]设计了汽轮机转子枞树型叶根相控阵超声检测自动扫查装置，以达到对检测探头位姿进行控制的目的，一定程度上解决了探头和叶根曲面耦合的问题，但未对检测工艺的设计和声束可达性进行论证。以上研究成果对实际工程应用的指导意义有一定的局限性，缺乏对叶根原位检测的系统性研究。

针对上述问题，本文首先采用三维扫描及处理软件、Civa声学仿真软件开发了3D枞树型叶根相控阵超声检测工艺，并对叶根不同区域缺陷的检测覆盖和检测灵敏度进行了实验验证。本文研究成果对不同规格枞树型叶根全覆盖检测工艺开发提供参考。

1 叶根装配型式和检测重点部位

枞树型叶根结构如图1所示。枞树型叶根各齿牙剖面由上至下逐渐变小，根部齿牙区域应力较大，研究表明叶根应力通常在第一齿根处达到极大值，因此第一齿根的内弧和外弧为检测的重点部位[6]，如图2所示。本文使用某600 MW机组枞树型叶根重点分析解决第一齿根的缺陷检测。

图1 枞树型叶根结构Fig.1 The structure of fir-tree-shaped leaf roots

图2 叶根重点检测部位示意图Fig.2 Schematic diagram of key detection parts of leaf roots

2 叶根全覆盖检测工艺设计

2.1 叶片结构三维扫描和数据建模

枞树形叶片由于其叶身和叶根均为曲面，并且每一处的曲面变化均不相同，结构复杂，剖面尺寸测量工作量大。选用非接触光学三维扫描系统对单个叶片进行光学三维扫描，采集数据点数214304个，经扫描建模后的数据图和偏差统计如图3所示，建模后尺寸数据最大公差为1 mm，标准偏差为0.204 mm，建模尺寸与实际叶片尺寸相符。后续对其提取剖面分析叶根检测区域的声束可达性，便于检测方案设计和检测结果分析。

图3 叶片结构三维扫描和数据建模Fig.3 Three-dimensional scanning and data modeling of blade structure

2.2 组合检测工艺设计

从图1叶根实际装配情况可知相控阵探头能放置的位置为叶片内外弧表面靠近根部的区域以及外弧侧进汽侧、出汽侧平台。任意单一扫查均无法实现对第一齿根部位的全覆盖检测，特设计了以下组合扫查检测工艺：

(1)相控阵探头放在叶片外弧面靠近根部区域检测内弧根部部分区间缺陷，如图4(a)所示；

(2)相控阵探头放在叶片内弧面靠近根部区域检测外弧根部部分区间缺陷，如图4(b)所示；

(3)在外弧侧平台或变截面处检测外弧根部、内弧根部缺陷，如图4(c)所示；

图4 组合扫查检测工艺Fig.4 Combined scanning inspection process

(4)工艺(1)、工艺(2)分别与工艺(3)的检测区域要有一定的重叠，保证全覆盖。

组合检测工艺中，声束焦点设置在第一齿根拐点位置。当探头放置在叶片外弧面时，焦点深度设置为25 mm；探头放置在叶片内弧面时，焦点设置为35 mm；当探头放置在外弧侧平台上时，将焦点设置为27 mm。

2.3 检测区间与检测角度理论分析

2.3.1 Civa声束仿真

通过声学仿真可以确定被检区域的声束可达性。Civa仿真软件的超声检测模块包括声束模拟以及缺陷响应两个功能[13]。为了确定以上各扫查可有效检测的范围，需在Civa的声束仿真模块中对各扫查范围内的几何特征和主声束所能到达的区域进行详细的模拟分析，以此初步确定各扫查的有效检测范围。Civa仿真时按照表1中设计的探头参数进行设置。

表1 相控阵线性探头选用参数Table 1 Parameters of phased array linear probe

2.3.2 相控阵探头在内外弧面时的分割设计

根据叶片曲面变化特点按一定间距进行分割和剖面提取，提取剖面尺寸进行CAD和Civa软件模拟实验。考虑探头尽可能放置在接近叶根的部位，以叶根底面垂直向上95 mm处作为基准面做剖面切割，如图5所示。

图5 切割基准面Fig.5 Reference plane for cutting

基准面处外弧两侧弧长各80 mm范围内，每隔5 mm弧长做一个分割，其余的中间部位等间距做3次分割，所有分割沿叶片长度方向并且垂直于基准面处外弧，如图6所示。从分割剖面得到01W-A-1～01W-A-32共32个剖面。

图6 垂直外弧分割总图Fig.6 General view of vertical outer arc segmentation

同理对内弧进行分割，所有分割沿叶片长度方向并且垂直于基准面处内弧。

2.3.3 对垂直外弧、内弧分割面的分析

按照相控阵探头耦合放置位置对各剖面进行声束中心线模拟，如图7所示。模拟结果判定依据如下：(1)声束在到达第一齿根前有无遮挡；(2)入射到第一齿根处的声束角度是否在探头偏转允许范围内。从图7(a)中可以看出，检测01W-A-13剖面第一齿部位声束角度为77°。依照该方法对外弧和内弧各32个分割面依次进行模拟，结果见表2和表3。

表2 垂直外弧面声束模拟结果Table 2 Simulation results of vertical outer arc sound beam

表3 垂直内弧面声束模拟结果Table 3 Simulation results of vertical inner arc sound beam

图7 垂直外弧、内弧分割面相控阵超声声束中心线模拟Fig.7 Simulation of the centerline of the phased array ultrasonic beam of the vertical outer arc and inner arc segmentation plane

在实际检测中，当声束角度在77°以内认定为可检区域；声束角度在77°～80°之间为过渡区域；当声束角度大于80°时，由于声束偏转角过大，出现栅瓣，认定为不可检区域。因此在叶身内外弧面检测时，可检区域与探头移动区域如表4所示。

表4 相控阵探头在叶身内外弧面检测时的分析统计Table 4 Analysis and statistics of the phased array probe in the detection of the inner and outer curved surfaces of the blade body

相控阵探头在叶身内外弧面检测时无法覆盖叶根第一齿根全部检测区域弧长，因此还需要在出汽侧和进气侧平台上进行检测。

2.3.4 相控阵探头在平台时的分割设计

由表4可得相控阵探头在平台时的待检区域弧长并计算对应角度，如图8所示。其中出汽侧平台内弧待检角度15.3°，外弧待检角度7°；进汽侧平台内弧待检角度16.8°，外弧待检角度8.4°。

图8 平台待检区域对应角度剖面图Fig.8 A cross-sectional view of the angle corresponding to the area to be inspected on the platform

对进汽侧、出汽侧分别按2°角进行分割，各截取10个剖面，角度涵盖18°，如图9所示。

图9 平台待检区域对应角度Fig.9 The corresponding angle of the platform to be inspected area

2.3.5 对进汽侧、出汽侧平台分割面的分析

对各剖面进行声束模拟分析，声束角度模拟结果见表5。

表5 进汽侧平台检测时声束中心线模拟结果Table 5 Simulation results of the sound beam centerline during the detection of the steam inlet side platform

结合图8和图9可知，在进汽侧平台上检测外弧时只需检测到F-F剖面位置即可，检测内弧时需检测到J-J剖面位置。探头沿叶片平台移动距离分别为36.3 mm、72.1 mm。当探头移动0～36.3 mm时，可检测外弧34.1 mm、内弧30.5 mm；继续再移动35.8 mm时，可检内弧30.6 mm。由于剖面的起始位置在外弧平台的拐角处，会导致靠近端面局部区域无法检测，探头在不扭动的情况下，外弧面有0～4.2 mm，内弧面0～14.5 mm无法检测。同理可得出汽侧平台检测时声束模拟结果。

由结构原因引起的部分靠近端面的区域不可检，这部分区域可通过在平台检测时将探头移动到靠近端面位置轻微转动探头来解决。

3 叶根相控阵全覆盖检测实验

3.1 人工缺陷模拟试块设计

由于叶片几何结构的变化，声束入射到根部不同位置缺陷的角度不同，回波波幅不一致，需要对不同位置缺陷的灵敏度进行标定；其次分步检测不同部位的缺陷，需要实际验证对检测区域的覆盖情况。因此，根据上文的分析设计了人工缺陷模拟试块。

模拟试块选用实际叶片加工而成，人工缺陷为1.0 mm×5.0 mm×0.2 mm(深×长×宽)电火花槽，用来模拟裂纹。人工缺陷布局选择典型的检测位置，同时满足分步检测时检测区域全覆盖的验证需求。人工缺陷位置如图10所示，模拟试块上共有21个近似方形电火花槽模拟裂纹缺陷，其中内弧侧12个缺陷，外弧侧9个缺陷。人工缺陷加工在第一齿根弧面拐点处，距离叶根底面垂直距离40.0 mm。

图10 人工缺陷模拟试块Fig.10 Simulated test block with arti ficial defects

3.2 灵敏度设置和检测实施

选用表1中探头参数进行灵敏度设置时，首先在对比试块上做TCG校准，然后以叶根模拟试块上所检测分区内回波最弱的缺陷信号为基准设置检测灵敏度。由于疲劳裂纹具有方向性，在扫查时应提高4～6 dB作为扫查灵敏度，以获得裂纹的尖端衍射信号，防止漏检并提高缺陷的定量精度。

按照上文的检测序列进行分区检测，采集数据时需要注意不同分区之间的检测覆盖，并关注检测过程中耦合情况。

4 叶根相控阵数据信号分析

4.1 使用5L12A41相控阵探头在内弧检测外弧第一齿根

检测区域为图10所示外弧根部，实际可有效检出W2～W9共8个缺陷。以外弧人工缺陷W7的检测结果为例进行分析，如图11和图12所示。图11为外弧无缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中只有结构信号显示。图12为有人工缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中除了结构信号显示还有缺陷信号显示。

当横波声束遇到叶根凹槽端角(或结构面)时会产生反射，出现如图12中S扫描图中的第一、第二凹槽端角(或结构面)反射信号。当叶根的第一齿根处有缺陷时，第一个凹槽端角反射波和第二个凹槽结构面反射波之间会出现缺陷回波，且信号较强。当叶根无缺陷时，第一个凹槽端角反射波及第二个凹槽结构面反射波之间不会出现缺陷回波，如图11所示。

图11 外弧无缺陷区域相控阵超声检测S-A扫描图谱Fig.11 S-A scan pattern for defect-free area of outer arc

图12 外弧人工缺陷W7相控阵检测S-A扫描图谱Fig.12 S-A scan pattern of W7 defect in outer arc

缺陷W7回波信号和噪声信号波幅见表6。为实施有效的检测，一般要求检测信噪比在10 dB以上[14]。根据信噪比公式：

表6 缺陷W7检测对比表Table 6 Test comparison table of defect W7

式(1)中，SNR表示信噪比，H信号表示信号回波幅值，H噪声表示噪声回波幅值。计算可知，SNR为32.4 dB，完全满足有效检测要求。

4.2 使用5L12A41相控阵探头在外弧检测内弧第一齿根

检测区域为图10所示内弧根部，实际可有效检出N3～N9共7个缺陷。以缺陷N7检测结果为例进行分析，检测图谱如图13和图14所示。图13为无缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中只有结构信号显示。图14为有人工缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中除了结构信号显示还有缺陷信号显示。

图13 内弧无缺陷区域相控阵超声检测S-A扫描图谱Fig.13 S-A scan pattern for defect-free area of inner arc

图14 内弧人工缺陷N7相控阵超声检测S-A扫描图谱Fig.14 S-A scan pattern of N7 defects in inner arc

当横波声束遇到叶根凹槽时会产生端角(或底部/结构)反射，出现如图14中S扫描图中的第一、第二个凹槽端角(或底部/结构)反射信号。当叶根的第一齿根有缺陷时，缺陷信号将出现在第一个凹槽端角反射波、第一个凹槽底部回波之后和第二个凹槽结构反射波之前。当叶根无缺陷时，第一个凹槽端角反射波及第二个凹槽结构反射波之间不会出现信号，如图13所示。

对缺陷N7信号和噪声信号波幅进行对比，信噪比达到20.4 dB。

4.3 使用5L10A25探头在进汽测、出汽侧平台检内弧侧第一齿根

检测缺陷对象为图10所示N1～N12中靠近两端的缺陷，实测可检出N1～N3、N9～N12共7个缺陷。以缺陷N2检测结果为例进行分析，检测图谱如图15和图16所示。图15为无缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中只有结构信号显示。图16为有人工缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中除了结构信号显示还有缺陷信号显示。

当横波声束遇到叶根凹槽端角时会产生反射，出现如图16中S扫描图中的第一、第二个凹槽结构反射信号。当检测部位有缺陷时，缺陷信号将出现在第一个凹槽和第二个凹槽结构反射波之间。无缺陷时，第一个凹槽与第二个凹槽结构反射波之间不会出现信号，如图15所示。

图15 内弧无缺陷区域相控阵超声检测S-A扫描图谱Fig.15 S-A scan pattern for defect-free area of inner arc

图16 内弧人工缺陷N2 S-A扫描图谱Fig.16 S-A scan pattern of N2 defect in inner arc

对缺陷N2信号和噪声信号波幅进行对比，信噪比达到29.5 dB。

4.4 使用5L10B0探头在进汽测、出汽侧平台检外弧侧第一齿根

检测缺陷对象为图10所示W1～W9中靠近两端的缺陷，探头沿平台外弧边缘移动，实测可检出W1～W3、W7～W9共6个缺陷。以缺陷W1检测结果为例进行分析，检测图谱如图17和图18所示。图17为无缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中只有结构信号显示。图18为有人工缺陷时相控阵检测图谱，S扫描图和A扫描信号中除了结构信号显示还有缺陷信号显示。

图17 外弧无缺陷区域相控阵检测图谱Fig.17 Phased array inspection map of the defect-free area of the outer arc

图18 外弧人工缺陷W1相控阵检测S-A扫描图谱Fig.18 S-A scan pattern of W1 defect in outer arc

对缺陷W1信号和噪声信号波幅进行对比，信噪比大于28.2 dB。

由上可知，通过制作模拟试块进行实际检测验证，根据S扫描图和A扫描信号，结合叶根剖面图可有效地检出叶根第一齿根N1～N9、W1～W12缺陷。通过组合检测工艺实现了叶根相控阵全覆盖检测，为不同型式汽轮机叶根检测工艺设计提供了重要参考。

5 结论

(1)借助光学三维扫描和Civa声学仿真计算可有效解决枞树型叶根无损检测工艺开发难题。

(2)采用相控阵超声S扫描图，利用内外弧叶身和平台等有限的检测面，可有效解决在役叶根缺陷检测，检测结果显示直观。

(3)按照该相控阵组合检测工艺检测出的缺陷信号信噪比高，定位精准，能有效实现在役叶根原位检测。