某电厂汽轮机叶片裂纹的超声波横波检测

　　摘要:该汽轮机,投运已30多年,步入老龄化阶段,汽轮机叶片处于复杂应力状态下工作，叶片常常因为设计、材质、加工精度、组装工艺等问题,随着时间的延长,产生裂纹,并不断扩展,本文运用了超声波横波检验方法，对该电厂汽轮机叶片裂纹进行检测。
　　关键词:汽轮机叶片、裂纹、超声波检测、横波
　　
　　0前言
　　某发电厂2号机组,是前苏联列宁格勒金属工厂1972年生产的K-100/90-7型双缸凝汽式汽轮机组，功率100MW,1974年9月投产,截止2004年6月,累计运行时间20.4万h,期间已进行过11次大修。低压转子24/29,25/30级叶片型号分别为1450/476,1147/749型,叶片总长分别为524mm,650mm,叶根长分别为92mm,105mm,根部下宽为35mm,32mm,对称1圈分别安装99片,102片,叶根为4叉型骑缝双铆孔叶根,叶根叉齿宽度为15mm。
　　
　　1问题提出
　　该汽轮机,投运已30多年,步入老龄化阶段,汽轮机叶片处于复杂应力状态下工作,叶片常常因为设计、材质、加工精度、组装工艺等问题,随着时间的延长,产生裂纹,并不断扩展,严重地威胁着汽轮机运行的安全性,特别是长叶片叶根发生断裂,后果不堪设想。
　　传统检测方法,采用超声表面波检测次末级(24/29级)一侧叶根,如图1。由于叶根水平面外露的宽度窄,对表面波探头入射点的要求非常苛刻,而且对探头加工要求非常高,否则,严重影响探测精度。水平面外露特别窄的部位,将无法探测,造成漏检。并且表面检测时,受叶片表面质量的影响,如:叶根与轮盘间的氧化皮,或铆孔附近的钢印、划痕等,常常与实际的裂纹波混淆,造成误判,叶根部位的检测质量较低。特别在1996年,更换末级(30级)叶片时，由于锁孔打偏，焊补锁孔后，为保证根部强度，做点焊外露叶根处理，增大了叶根部位的应力，需定期监督检查，而末级叶片叶根水平面无外露部分(如图2)，根本无法采用表面波探测，必须研究一种更适用的探测方法。
　　
　　
　　图1叉型叶根结构及表面波检测原理
　　
　　                                                                                                                              图2横波检测原理图
　　
　　
　　2横波检测的技术条件
　　2．1台肩上横波探测的可行性分析
　　如图2所示，可以看出，采用台肩部位横波检测，比较适宜。分析形成横波入射的入射角由叶片肩部导角决定,经实际测量次末级(24/29)叶片、末级(25/30)叶片导角分别为36°，31°，如图3,即形成的折射角为54°，59°，包含在横波形成的折射角38°～80°范围内,由此确定入射角的K值分别是1.38，1.66，横波探测角度比较适中。
　　                
　　                                                                               图3叶片导角及横波折射角度示意图
　　2．2横波检测的优点
　　从叶根结构上看,台肩上放置探头不受叶根水平面外露尺寸的限制,且探测面大,形成的横波可以覆盖整个叉齿,还可以防止表面波检测齿部下面位置缺陷容易漏检的缺点,且由于入射的横波角度适中,检测对缺陷回波的干扰较小,检测仪器容易调整,缺陷直观,便于观察判断。
　　2．3存在的问题
　　从叶根的结构看,根部的台肩皆为凹型弧面,曲率为R37.5,探头与探测面不能良好耦合,给检测带来不便。若将探头修磨成凸型弧面,一是声波难控制,二是探头修磨大,易出现杂波,干扰裂纹波的识别,影响检测效果。
　　2．4采取的措施
　　2．4．1探头的选择
　　为克服存在的问题，从探头的选择考虑，由入射角的计算可以看出，横波检测不需要制作专门的探头,考虑探头与探测面的耦合性,可以选晶片尺寸较小的探头，如选晶片尺寸为6mm×8mm，或更小些,K值选1.8(略大于分析确定的K值)，尽量减少修磨尺寸,并可使探头修磨成仰角,来增大耦合面。考虑到探头有一定的扩散角，两种叶根导角相差不大，可用一种探头对两种叶根探测。因为叶根长度适中,频率可选2.5～5MHz,探头前沿可不予考虑。
　　2．4．2仪器、试块的选择
　　为提高缺陷检出的准确性,选用数字超声波探伤仪(本文试验选用汉威HS510型超声波探伤仪)，以便精确确定缺陷位置。试块:CSK-ⅠA型、CSK-ⅢA型、同类型叶根试块。
　　
　　3探伤工艺的确定
　　3．1探头的磨制
　　选P5K1.8晶片尺寸6mm×8mm的探头，磨仰角约呈10°，略有外凸弧度,利用CSK2ⅢA型试块测定K值为1.4～1.6即可。
　　3．2扫描比例及灵敏度的调节
　　叶根试样上，以上、下铆孔波位置调节扫描比例，输入横波声速3230m/s，按声程实际数值为读数，并根据叶根长度选择底波的适中位置(即确定探测范围)。
　　探伤灵敏度,可以用下铆孔部位人工加工2mm，深槽反射波80%高+2dB为扫查灵敏度,或底波80%高-20dB为扫查灵敏度。
　　3．3探测及判定
　　为达到良好的耦合效果,采用黄油耦合剂。扫测叶根整个导角面,左右或上下移动探头,会出现上铆孔回波、底波和下铆孔回波。左右均匀移动探头时,波形均匀出现,显示器上波声程读数不变时,为正常。波的位置、能量在移动探头时发生改变,或对底波的覆盖,或在铆波后又出现回波,皆为异常情况,可以通过出现波的实测位置,波幅度大小来判定,≥6dB时判伤。
　　
　　4现场应用
　　对2号机末级(25/30级),次末级(24/29级)合计402片叶根进行探测,发现4片叶片根部有明显缺陷回波信号,主要特征为:缺陷波和铆孔波并存(一般缺陷波紧随铆孔波后,为铆孔处裂纹缺陷)。不在铆孔处的裂纹也会出现缺陷位置的回波信号,可通过波型位置识别(如图4a,b)。还可以通过缺陷波幅大小的比较,定位测长,测量裂纹长度。如图4c,d所示,为叶根叉齿内侧3mm长裂纹回波,缺陷波紧跟随铆孔波,波型明显,很容易分辨判伤。4片叶根经检修人员拔出后,与探测结果对照,完全稳合。
　　
　　5结论
　　叉形叶根横波检测,可以克服表面波检测范围小、容易漏检和误判的缺点,且缺陷波直观、明显,大大提高了叶根检测的准确性、可靠性。并有操作简单、检测效率高等优点,实践证明是一种对叉型叶根裂纹检测的理想工艺。
　　
　　参考文献:
　　[1]中国机械工程学会无损检测学会.超声波探伤[M].北京:机械工业出版社,1998。