朱 琪 ，胡為祖，徐 寧，章雅林 ，葛廣林

(1.安徽津利能源科技發(fā)展有限責任公司，安徽 合肥 230000；2.中國能建工程研究院相控陣檢測技術(shù)應用研究所，安徽 合肥 230000；3.安徽省特種設備協(xié)會，安徽 合肥 230051；4.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000；5.中國能源建設集團有限公司工程研究院，北京 100020)

0 引言

汽輪機轉(zhuǎn)子葉片在長期高速運行過程中，葉根承受著高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽彎曲應力、激振力、疲勞腐蝕、振動以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用，其失效形式主要是在齒根部位產(chǎn)生應力腐蝕裂紋和疲勞裂紋，葉根的圓角或棱角處是應力腐蝕缺陷的高發(fā)區(qū)域[1]。美國Cooper 核電站和South Texas Unit 2 核電站就曾發(fā)生多起因汽輪機葉片損傷導致的緊急停堆、停工事故。核電大修期間，葉片一般固定在汽輪機轉(zhuǎn)子上，相鄰葉片之間的間距較為狹小，采用手動超聲和手動相控陣超聲檢測僅能葉根端部缺陷，若大修工期較緊，則需要在更狹小的汽缸內(nèi)完成檢測，因此，手動超聲和手動相控陣超聲檢測，并不能滿足檢測需求。

常見的葉根型式包括菌型葉根、叉型葉根、樅樹型葉根(圓弧、直線)和T 型葉根，其中，樅樹型葉根在國內(nèi)核電站中的應用較為廣泛。本文系統(tǒng)總結(jié)自主研制的核電汽輪機樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)的工藝方法、自動化掃查裝置、檢測步驟、檢測系統(tǒng)驗證和應用。

1 樅樹型葉根相控陣超聲檢測系統(tǒng)

樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)主要包括相控陣超聲檢測工藝方法和自動化掃查裝置，相控陣超聲檢測工藝方法負責檢測樅樹型葉根中部和端部區(qū)域的缺陷，自動化掃查裝置負責實現(xiàn)相控陣超聲探頭沿著預定軌跡移動。

1.1 相控陣超聲檢測工藝方法

葉根的圓角或棱角處是應力腐蝕缺陷的高發(fā)區(qū)域，樅樹型葉根應力集中區(qū)域主要為第一齒根(Hook1)和第二齒根(Hook2)[2]，尤其是Hook1應力集中最嚴重，易發(fā)生應力腐蝕缺陷；該區(qū)域是葉根檢測重點關(guān)注的部位，葉根模型和Hook1區(qū)域如圖1 所示。

圖1 樅樹型葉根示意圖

樅樹型葉根和葉身不同部位的表面曲率不同，采用常規(guī)超聲技術(shù)需要多個不同折射角探頭分別進行檢測[3]，檢測效率低。相控陣超聲技術(shù)可以實現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)、聚焦和多種掃描方式，檢測效率高[4]。相控陣超聲成像檢測有利于幾何反射信號和缺陷信號的識別，提高檢測結(jié)果的準確度，在葉片葉根檢測中的應用最廣泛[5]。

在役汽輪機樅樹型葉根檢測一般需要在不拆卸的條件下完成。手動相控陣超聲僅能從進汽側(cè)和出汽側(cè)2 個肩臺位置檢測葉根端面缺陷，葉根中部區(qū)域因檢測空間受限，無法手動檢測。因此，研制樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)在狹小空間內(nèi)檢測葉根重點檢測區(qū)域的缺陷。

樅樹型葉根結(jié)構(gòu)較復雜，可放置探頭的位置僅有葉根進汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺，以及葉根和葉身相接的弧面[6]，因此，需要選擇合適的扇掃描角度范圍，并分析扇掃描范圍中不同偏轉(zhuǎn)角的檢測靈敏度和分辨率差異，將檢測靈敏度和分辨率的最優(yōu)偏轉(zhuǎn)角范圍設置在樅樹型葉根第一齒根附近。

樅樹型葉根檢測面曲率不均，嚴重影響與探頭楔塊接觸面的耦合效果。因此，分析楔塊曲率與葉根表面曲率的耦合關(guān)系，保證檢測工藝的靈敏度至關(guān)重要。

1.1.1 扇掃描有效角度范圍

為滿足相控陣檢測精度要求，通過仿真分析研究得出最佳的扇掃描偏轉(zhuǎn)角度范圍。

參考我國能源行業(yè)標準NB/T 47013.15—2021《承壓設備無損檢測 第15 部分：相控陣超聲檢測》[7]，相控陣超聲扇掃描的偏轉(zhuǎn)角度范圍一般選擇楔塊折射角±20°。若相控陣超聲楔塊折射角為60°，即扇掃描角度范圍為40°～80°，則相控陣超聲的聲束偏轉(zhuǎn)角度超出一定值時，聲束的能量下降，焦區(qū)偏移，聲束變形，會造成檢測靈敏度下降，易發(fā)生漏檢。

以偏轉(zhuǎn)角為60° 的楔塊搭配頻率為7.5 MHz，晶片數(shù)為16 個，晶片間距為0.5 mm的相控陣探頭為例。當偏轉(zhuǎn)角為60°時，主聲束能量最強，檢測靈敏度最好；當偏轉(zhuǎn)角超過72°時，聲束變形較大，且主聲束能量減小，檢測靈敏度下降[8]。而實際檢測中，由于相控陣超聲探頭加工導致的誤差，以及連接儀器后系統(tǒng)組合性能偏差的影響，聲場變形和能量降低的效果可能會更嚴重，因此，相控陣超聲檢測扇掃描角度范圍應不超過70°，楔塊主聲束偏轉(zhuǎn)角應設置在樅樹型葉根第一齒根附近。

1.1.2 楔塊曲率和葉根表面曲率的耦合關(guān)系

樅樹型葉根相控陣超聲現(xiàn)場檢測中，葉根表面的曲率是變化的，無法按照葉根表面的曲率1∶1 加工楔塊。

楔塊與葉根表面曲率不匹配的情況可分為2 種：若楔塊本身曲率半徑大于葉根表面曲率半徑，造成楔塊兩邊與葉根表面本身存在一定的間隙，聲束的主要能量還是能通過中間接觸良好的區(qū)域?qū)肴~根中，對于耦合不會有太大影響。而楔塊本身曲率半徑小于葉根表面曲率半徑的情況則不同，間隙對檢測結(jié)果誤差較大，采用Civa 仿真軟件對間隙為0 mm、間隙＜0.5 mm 和間隙＞0.5 mm 這3 種情況仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 耦合間隙大小對檢測聲場的影響

由圖2 仿真結(jié)果可知：1)當楔塊與葉根表面間隙＜0.5 mm 時，聲場的結(jié)構(gòu)和強度基本沒有變化，但是當楔塊與葉根表面間隙＞0.5 mm時，聲場的結(jié)構(gòu)和強度均發(fā)生了較大變化，主要是由于間隙的存在形成了透鏡效應，造成了聲場分布的變化；2)當楔塊曲率半徑大于葉根表面曲率半徑時，耦合間隙對聲場結(jié)構(gòu)和強度影響較少；3)當楔塊曲率半徑小于葉根表面曲率半徑時，耦合間隙需要嚴格控制，否則對耦合效果影響較大。

因此，樅樹型葉根相控陣超聲檢測時，應優(yōu)先選擇與葉根表面曲率相匹配的楔塊，或選擇曲率半徑大于葉根表面曲率半徑的楔塊，且間隙T小于0.5 mm，以減少檢測過程中耦合間隙波動和楔塊傾斜引起的定量誤差。

1.1.3 檢測位置和參數(shù)的選擇

樅樹型葉根采用相控陣超聲檢測，可放置探頭的區(qū)域包括進汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺，以及葉根和葉身相接的弧面，相控陣超聲扇掃描有效偏轉(zhuǎn)角度范圍較小。為保證樅樹型葉根第一齒根的檢測靈敏度，將楔塊偏轉(zhuǎn)角設置第一齒根附近，此時扇掃描有效偏轉(zhuǎn)角度范圍可覆蓋至第二齒根。樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)采用3 組相控陣探頭6 個檢測序列，分別從6 個位置檢測葉根的第一齒根和第二齒根，將相控陣探頭分別放置在內(nèi)弧面、外弧面對應的肩臺和弧面處，如圖3 所示。

圖3 檢測序列示意圖

檢測序列1 是將相控陣探頭放置內(nèi)弧面檢測外弧面葉根的第一齒根和第二齒根，檢測序列2 是將相控陣探頭放置外弧面檢測內(nèi)弧面葉根的第一齒根和第二齒根。由于葉根曲面和楔塊曲率的耦合影響，在滿足穿透的情況下，盡量采用陣元孔徑尺寸較小的探頭，避免耦合不良導致靈敏度下降。檢測序列1、2 選用編號為L5L12 的相控陣探頭進行橫波扇掃描檢測，激發(fā)波束的折射角度范圍為40°～70°，探頭頻率為5 MHz，晶片數(shù)為12 個，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為6 mm，楔塊折射角為65°。

檢測序列3 將相控陣探頭放葉根進汽側(cè)檢測葉根內(nèi)弧面第一齒根和第二齒根，檢測序列4將相控陣探頭放葉根進汽側(cè)檢測葉根外弧面第一齒根和第二齒根。葉片進汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺為光滑的平面，檢測位置距離被檢區(qū)域聲程較遠，因此，采用陣元孔徑尺寸較大的探頭，提高穿透力。檢測序列3、4 選用編號為L5L16的相控陣探頭進行橫波扇掃描檢測，激發(fā)波束的折射角度范圍為40°～70°，探頭頻率為5 MHz，晶片數(shù)為16 個，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為10 mm，楔塊折射角為55°。

檢測序列5 將相控陣探頭放葉根出汽側(cè)檢測葉根內(nèi)弧面第一齒根和第二齒根，檢測序列6將相控陣探頭放葉片出汽側(cè)檢測葉根外弧面第一齒根和第二齒根。檢測序列5 的探頭位置與葉根齒根幾乎在一條垂直線上，因此，需采用縱波扇掃描進行檢測，激發(fā)波束的折射角度范圍為-30°～30°，選用編號為L5L16 的相控陣探頭，探頭頻率為5 MHz，晶片數(shù)為16 個，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為10 mm，楔塊折射角為0°。檢測序列6 激發(fā)參數(shù)與檢測序列4 一致。

1.2 自動化掃查裝置

檢測系統(tǒng)中的自動化掃查裝置，主要作用是固定探頭，并驅(qū)動探頭沿預定的軌跡掃查移動。樅樹型葉根進汽側(cè)和出汽側(cè)肩臺空間較小，檢測序列3、4、5 和6 主要用于檢測葉根端部和距離端部一段距離的截面，采用手動掃查檢測效率更高，自動化掃查裝置主要用于完成檢測序列1 和檢測序列2，如圖4 所示。

圖4 檢測序列1和2自動化掃查模型圖

自動化裝置主要由控制箱、導軌、檢測小車以及輔助裝置組成?？刂葡溥B接外置電機，通過外接便攜式遙控，控制檢測小車的移動速度和啟停，還可實現(xiàn)可疑位置的定點檢測和小范圍數(shù)據(jù)采集檢測。

自動化掃查裝置導軌的弧度曲面與葉根弧面完全一致，檢測過程中緊貼在葉根內(nèi)外弧面，保證相控陣探頭沿導軌移動檢測。導軌式可拆卸裝置，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和尺寸的葉根，制作對應的導軌進行自動化檢測。

2 檢測系統(tǒng)驗證和應用

采用Civa 仿真和試塊驗證檢測系統(tǒng)的可行性、可靠性和穩(wěn)定性。Civa 仿真用于相控陣超聲檢測工藝對樅樹型葉根齒根處缺陷的回波響應效果，模擬試塊用于模擬實際的檢測過程。

2.1 Civa仿真驗證

相控陣超聲扇掃描聲束對樅樹型葉根第一齒根處缺陷Civa 仿真檢測結(jié)果見圖5。

圖5 6個檢測序列對葉根第一齒根超聲回波仿真結(jié)果

由圖5 可知，采用6 個檢測序列激發(fā)相控陣超聲扇掃描檢測，均能清晰顯示缺陷回波，且信號無畸變分辨率良好。Civa 仿真檢測主要驗證相控陣超聲束在理想情況下是否能檢出缺陷，并反映處不同超聲偏轉(zhuǎn)角對缺陷的成像特征，如要得出檢測系統(tǒng)在葉根檢測成像的缺陷信噪比和幾何結(jié)構(gòu)信號干擾等信息，則需要通過模擬試塊驗證檢測。

2.2 試塊驗證

模擬試塊是按照被檢工件材料和尺寸1∶1制作且含有人工反射體的葉片葉根，人工反射體是按照5∶1設計的月牙槽，用于模擬裂紋缺陷，在試塊外弧面和內(nèi)弧面的第一次齒根處分別加工12 個人工反射體。為了真實模擬現(xiàn)場檢測情況，額外加工了葉根底座和前后2 個模擬試塊，將檢測系統(tǒng)安裝在模擬試塊上進行自動化相控陣超聲檢測數(shù)據(jù)采集。

模擬試塊6 個檢測序列的相控陣超聲檢測C 掃圖譜如圖6 所示。

圖6 各檢測序列相控陣檢測C掃圖譜

1)模擬試塊中的人工反射體基本都能檢出，部分人工反射體信號顯示受幾何結(jié)構(gòu)信號干擾。

2)檢測序列1、2 受內(nèi)外弧面幾何結(jié)構(gòu)的影響，在C 掃成像中存在明顯幾何結(jié)構(gòu)信號，在圖像中顯示為2 道較長的月牙線。模擬試塊中的人工反射體信號分布在幾何結(jié)構(gòu)信號的附近，信號顯示較為明顯，在圖像評定時，應避免幾何結(jié)構(gòu)信號的干擾。

3)檢測序列3、4 同樣受內(nèi)外弧面幾何結(jié)構(gòu)的影響，在圖像中顯示2 條明顯的幾何結(jié)構(gòu)信號圖像，由于探頭位置相對葉根齒根距離變化不明顯，因此，月牙槽信號始終保持在2 道幾何結(jié)構(gòu)信號圖像之間，區(qū)分較為容易。

4)檢測序列5 采用相控陣超聲縱波扇掃描檢測，基本不受幾何結(jié)構(gòu)信號的干擾，人工反射體信號顯示清晰。檢測序列6 相控陣超聲束檢測聲程小，幾何結(jié)構(gòu)信號與人工反射體信號間存在一定的聲程差，基本不干擾人工反射體信號的識別。

采用傳統(tǒng)超聲和相控陣超聲技術(shù)僅能檢測模擬試塊中進汽側(cè)和出汽側(cè)的2～4 個端部人工反射體，模擬試塊中部的人工反射體無法檢出。樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)可將模擬試塊中的12 個人工反射體全部檢出，在現(xiàn)場檢測中，具有更高的缺陷檢出率。

2.3 工程應用

該系統(tǒng)在廣東陽江核電站、福建寧德核電站和深圳大亞灣核電站的機組大修工程中應用。傳統(tǒng)超聲和手動相控陣超聲檢測汽輪機葉片葉根，需要將轉(zhuǎn)子從汽缸內(nèi)吊裝移動至專用支架上進行檢測，整個過程耗時15 d 以上。而樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在汽缸內(nèi)對樅樹型葉根進行自動化檢測，檢測周期僅耗時8 d；與傳統(tǒng)手動檢測方法相比，應用樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)節(jié)約了7 d 以上的工期，而且檢測范圍更廣。

3 結(jié)語

整套汽輪機樅樹型葉根相控陣自動化檢測系統(tǒng)在多個核電站的大修工程中得到應用，可以實現(xiàn)樅樹型葉片葉根所有截面的相控陣超聲自動化檢測，該系統(tǒng)主要針對樅樹型葉根的第一齒根和第二齒根。下一步將研究相控陣超聲全聚焦檢測技術(shù)應用于葉根檢測，完成葉根截面所有齒根的全覆蓋檢測，同時利用面陣探頭的大偏轉(zhuǎn)角度進一步縮減檢測序列，優(yōu)化自動化檢測裝置。