汪 軍

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海200233)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子菌型葉根相控陣超聲波檢測的缺陷定量方法

汪 軍

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海200233)

對核電站汽輪機(jī)中廣泛使用的菌型類葉片葉根,采用相控陣超聲波技術(shù)進(jìn)行檢測,分析了其定量檢測結(jié)果。通過比對常規(guī)超聲檢測的幾類測長方法(－6,－12 d B相對靈敏度法和絕對靈敏度法)來確定適用于菌型葉根的長度測量方法。通過對不同高度缺陷顯示的特征分析,歸納出了菌型葉根的高度定量方法。

相控陣;菌型葉根;長度測量;高度測量;缺陷定量

汽輪機(jī)是核電站運(yùn)行中的關(guān)鍵設(shè)備,屬于在役檢查中的重點檢測對象,但是長期以來對汽輪機(jī)的葉片葉根的體積性缺陷檢測十分困難。隨著超聲波檢測新技術(shù)的不斷提升和完善,相控陣超聲波檢測技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根的檢測中。

核電站運(yùn)行期間,汽輪機(jī)葉輪和葉片葉根之間的不合理裝配容易導(dǎo)致葉根鍵槽產(chǎn)生應(yīng)力集中,并導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。裂紋沿鍵槽切向生長,然后在強(qiáng)大應(yīng)力作用下迅速失穩(wěn),沿葉片軸向切斷[1]。相控陣超聲波技術(shù)對于菌型葉根切向生長的裂紋具有良好的檢出能力,但尚未形成完整的缺陷定量方法。筆者通過引入常規(guī)超聲的幾種定量方法,比較和歸納了適用于汽輪機(jī)菌型葉根缺陷的相控陣超聲波檢測的定量方法。

1 試驗方法

1.1 試塊

以核電發(fā)電站CANDU機(jī)組汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子第9級、10級和低壓轉(zhuǎn)子第11級、13級菌型葉根為模板制作等比例、同材料的試塊。各級菌型葉根試塊如圖1所示。

在菌型葉根齒槽圓弧面上應(yīng)力集中最大處設(shè)計人工缺陷。為了模擬葉根產(chǎn)生的初期階段裂紋,將大多數(shù)人工缺陷的高度設(shè)定為0.5～2 mm。同時,考慮到裂紋初期的生長方向可能具有不確定性,在設(shè)計人工缺陷時也擬布置不同傾斜角度的缺陷。人工缺陷設(shè)計如表1所示。

圖1 各級菌型葉根驗證試塊外觀

表1 菌型葉根人工缺陷設(shè)計參數(shù)

1.2 探頭和聚焦法則

試驗采用了兩類探頭,第一類探頭為Olympus生產(chǎn)的Cobra探頭,型號為7.5CCEV35-16,楔塊SA15-N60S-IH,試驗儀器為Olympus Omniscan MX2。Cobra探頭為微型高頻橫波探頭,用于菌型葉根相控陣檢測。第二類探頭為汕頭超聲公司生產(chǎn)的定制0°縱波探頭,型號4L16,不搭配楔塊使用,試驗儀器為AGI Handyscan。0°縱波探頭用于菌型葉根相控陣檢測測長的補(bǔ)充檢測。

Cobra探頭聚焦法則采用16晶片逐一順序激發(fā),30°～70°角度范圍,0.5°角度步進(jìn)扇形掃查。0°縱波探頭亦采用16晶片逐一順序激發(fā),－40°～40°角度范圍,0.5°角度步進(jìn)扇形掃查。兩類探頭的聚焦深度分別根據(jù)工件實際尺寸設(shè)置。

1.3 掃查方式

菌型葉根的掃查面為葉根和葉片交貫的斜面和葉根外露平臺,其中第9,10級菌型葉根由于交貫斜面過窄不能作為掃查面。放置相控陣超聲波探頭,使得主聲束軸垂直于葉根與葉輪的裝配面,以保證聲束面能夠正切圓弧面上初期橫向生長的裂紋。橫波檢測時,在可達(dá)情況下采用雙側(cè)掃查——向葉輪和葉片兩側(cè)進(jìn)行掃查。采用手動掃查對每一齒的鍵槽逐一線掃,并作適當(dāng)前后移動。菌型葉根的縱波、橫波探頭掃查示意如圖2,3所示[2]。

圖2 菌型葉根的0°縱波探頭掃查示意

圖3 菌型葉根的橫波探頭掃查示意

2 常見信號特征

通過分析菌型葉根相控陣超聲波的扇形掃查信號,可以得到以下幾個特征。

(1)橫波檢測菌型葉根,至少可以檢出0.5 mm高垂直生長的缺陷。其中0.5 mm高并帶有傾角45°的缺陷無法檢出,但可以在幾何結(jié)構(gòu)外觀察到缺陷引起的指示信號。當(dāng)無法觀察到齒槽附近有指示信號,卻突然觀察到不在部件幾何結(jié)構(gòu)上的指示信號時,可用0°縱波檢測作補(bǔ)充檢測。45°傾角,0.5 mm高人工缺陷的不同檢測方式的顯示如圖4所示。

圖4 45°傾角,0.5 mm高人工缺陷的不同檢測方式的信號示意

(2)使用橫波檢測菌型葉根有兩種掃查方式。探頭向葉片方向檢測時,葉根的結(jié)構(gòu)信號的位置和裂紋生長位置一致;探頭向葉輪方向檢測時,葉根的結(jié)構(gòu)信號并非為裂紋的生長位置。

(3)一般而言,探頭向葉輪方向作檢測時,更容易觀察到帶有端角反射的端點信號,一般不小于1 mm高度的缺陷都能觀察到端點信號。容易觀察到帶有端角反射的端點信號,可以直觀測量缺陷的高度。向葉輪側(cè)檢測時,缺陷顯示信號示意如圖5所示。

圖5 向葉輪側(cè)檢測時的缺陷顯示信號示意

(4)探頭向葉片方向作檢測時,能觀察到高度不小于0.5 mm的缺陷指示信號。向葉身側(cè)檢測時缺陷信號示意如圖6所示。(5)0°縱波檢測菌型葉根時,由于反射的結(jié)構(gòu)信號與缺陷指示信號位置無關(guān),并且小角度的縱波不易產(chǎn)生端角反射。因此,無法利用結(jié)構(gòu)特征測量缺陷高度,也無法適用端點測高法,而只能進(jìn)行缺陷檢出和測長[3]。

3 缺陷長度定量結(jié)果

對于菌型葉根(9級、10級、11級、13級)相控陣超聲波檢測的缺陷長度測量的工藝研究,是通過比對常用的幾種超聲波測長方法的測量結(jié)果,并計算各種測長方法測量結(jié)果的方均根誤差來確定的,這些測長方法包括－6 dB和－12 dB相對靈敏度法以及絕對靈敏度法。幾種長度測量方法的結(jié)果比較如圖7所示。

除第13級缺陷(編號1～2)由0°縱波扇形檢測定量,其余缺陷均由Cobra探頭作橫波扇形檢測,并進(jìn)行長度測量。每一種測長方法的檢驗結(jié)果為4組不同人員測量結(jié)果的平均值。將菌型葉根所有缺陷的長度測量結(jié)果綜合,作幾種測長方法的折線圖(見圖7)進(jìn)行比較?？梢园l(fā)現(xiàn)－6 dB法的相對靈敏度測長方法測量結(jié)果明顯與設(shè)計結(jié)果更加接近。

圖7 菌型葉根幾種長度測量方法結(jié)果比較

根據(jù)誤差分析結(jié)果,－6 dB長度測量方法的檢測結(jié)果最精確,檢測的方均根誤差都小于1 mm。因此,長度測量的方法應(yīng)該選擇－6 dB法。同時根據(jù)方均根誤差結(jié)果分析得到,長度測量誤差隨著檢測部件厚度的增加而隨之增加。這種正相關(guān)性與波束寬度隨著檢測聲程的增加而相應(yīng)增加有關(guān)。各種菌型葉根長度測量方法的方均根誤差比較如表2所示。

表2 各種菌型葉根長度測量方法的方均根誤差比較 mm

4 缺陷高度定量結(jié)果

根據(jù)缺陷顯示特征分析,高度測量可以遵循以下原則:

(1)首先觀察缺陷是否存在帶有端角反射的端點信號。若存在,缺陷高度測量方法優(yōu)先選擇量取端點和端角反射信號差值的方法,優(yōu)先選擇向葉輪側(cè)方向的檢測結(jié)果。若出現(xiàn)受限于掃查表面,無法發(fā)現(xiàn)缺陷信號的情況,則采用向葉片側(cè)的檢測結(jié)果。

(2)如果無法發(fā)現(xiàn)帶有端角反射的端點信號,當(dāng)檢測取葉片方向時,即檢測第一級齒槽,高度測量方法采用量取缺陷信號和結(jié)構(gòu)信號的高度測量差值。根據(jù)信號特征,至少可以檢出0.5 mm高垂直生長的缺陷。而0.5 mm高帶有傾角45°的缺陷無法檢出,但可以觀察到缺陷引起幾何結(jié)構(gòu)外的指示信號。當(dāng)齒槽附近無法觀察到指示信號,卻突然發(fā)現(xiàn)不在部件幾何結(jié)構(gòu)上的指示信號,可用0°縱波檢測作補(bǔ)充,若觀察到缺陷信號的指示,則將此類缺陷歸為0.5 mm高。

(3)當(dāng)檢測僅取葉輪方向時,無法觀察到端角反射的缺陷指示,由于相關(guān)的結(jié)構(gòu)信號和缺陷生長起始位置無關(guān),無法通過結(jié)構(gòu)信號量取自身高度。根據(jù)信號特征分析,此類缺陷的自身高度都不大于1 mm,可將觀察到的信號指示直接歸類為1 mm高的缺陷,如圖8所示。

圖8 采用歸類法高度測量的極小缺陷示意

(4)驗證試驗中的缺陷自身高度測量為缺陷垂直方向的深度,并不考慮缺陷的傾角方向生長高度。利用上述高度測量的原則,分別對各級菌型葉根進(jìn)行高度測量,將菌型葉根所有缺陷的高度測量結(jié)果依序與計入傾角后的修正高度作圖進(jìn)行比較,如圖9所示。由比較可見,高度測量整體結(jié)果與實際裂紋的自身高度相符。

圖9 將缺陷高度測量結(jié)果與計入傾角后電火花槽垂直方向的修正高度的比較

(5)將缺陷高度測量結(jié)果與計入傾角后電火花槽垂直方向的修正高度進(jìn)行方均根誤差分析,如表3所示。第9級高度測量結(jié)果誤差為0.2 mm,第10級高度測量結(jié)果誤差為0.26 mm,第11級高度測量結(jié)果誤差為0.11 mm,第13級高度測量結(jié)果誤差為0.45 mm。菌型葉根各級高度測量結(jié)果誤差可以證明:先采用缺陷端點和端角反射信號進(jìn)行高度測量,再采用缺陷指示和結(jié)構(gòu)信號進(jìn)行高度測量,最后采用歸類法的原則對菌型葉根的高度進(jìn)行測量是適用的,并且測量結(jié)果的精度較高。

表3 各種菌型葉根高度測量方法的方均根誤差分析 mm

5 結(jié)語

通過幾種長度測量方法的比較,證明－6 d B定量法最適用于菌型葉根的缺陷長度的測量。通過分析不同高度人工缺陷在不同掃查方式下的顯示特征,使用歸類法進(jìn)行了高度定量,也證明了該方法的適用性。雖然采用的歸類法會造成對于極小類缺陷的高度測量結(jié)果偏大,但對于現(xiàn)場應(yīng)用而言,歸類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.

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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 軍(1984－),男,本科,工程師,主要從事核電站無損檢測工作。

汪 軍,E-mail:18930176922＠189.cn。