汽轮机转子枞树型叶根超声相控阵检测技术

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1、汽轮机转子枞树型叶根超声相控阵检测技术华北电力科学研究院有限责任公司季昌国胡先龙刘建屏王春水摘要：枞树型叶片根部应力大、结构复杂且间距狭小，常规无损检测方法难以对其进行在役状态下的不拆卸检测，采用超声相控阵技术实现了检测目的。针对圆弧枞树型叶根制作了检测工艺，并设计制作了手工检测夹具和自动扫查与控制装置。在实现手工检测基础上可以实现探头在内弧或外弧时的自动检测，取得了比较满意的检测结果。关键词：枞树型叶根超声相控阵检测自动检测装置副导轨1前言近年来，600MW及以上大容量机组已成为火力发电厂在役主力机组，随着运行参数的提高，对材料及部件结构的要求越

2、来越高。圆弧枞树型叶根因其轴向断口为尖劈形结构，应力分布相对均匀而被大量使用在汽轮机低压转子的末级和次末级。在3000转/分钟的高速运行中枞树型叶根承受着高温、高压、巨大的离心力、蒸汽弯曲应力、激振力、疲劳、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用，其产生失效的形式主要有应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。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身伤害。圆弧枞树型叶片（见图1），其叶根和叶身均沿着各自的曲线变化，即使相邻几毫米其截面尺寸变化也是非常大的；安装后各叶片之间间距狭小，如600MW机组低压转子末极叶片靠近根部位置两叶片间距仅30m

3、m左右。在役状态下，表面检测方法无法实施，传统超声检测操作空间受限制，且检测所需的角度范围大，各种回波信号在A型显示中难以判别。本文针对火力发电厂圆弧枞树型根部叶片尺寸小、间距窄、叶根与叶身交界处变截面长等特点，设计了超声相控阵检测工艺和自动检测装置。a)圆弧枞树型叶根b)装配后的圆弧枞树型叶根图1圆弧枞树型叶根及装配后的状态2重点检测部位由图1可以看出，枞树型叶根在各齿根位置截面变小。查阅的资料[1～4]显示，枞树型叶根的各项应力在齿根处变大，通常在第一或第二齿根表面位置应力达到极大值。从国内外报道的叶根断裂案例看，根部裂纹绝大多数均出现在第一齿

4、根内弧或外弧部位，因此第一齿根的内弧外弧部位为检测的重点，见图3。图2国内某厂枞树型叶根第一齿根处裂纹图3重点检测部位（叶根局部图）3检测方法3.1叶片局部的三维扫描圆弧枞树型根部的叶片结构比较复杂，截面尺寸变化大。为了便于分析，对其进行了三维扫描，生成三维实体。扫描后可以利用三维处理软件进行尺寸测量，截面提取等操作，利于分析超声波的传播路径，方便检测方案的设计和对检测结果的分析。3.2检测序列的设计从图1中可看出能利用的探头放置区域为叶身靠近根部区域的内、外弧表面和进汽侧、出汽侧平台。通过分析，任何一次扫查均无法实现待第一齿根部位的100%检测，

5、特设计了下面扫查序列：序列1：将专用相控阵探头1放置在叶身内弧表面，激发横波、扇形扫查检测外弧局部区域缺陷，见图4；序列2：将专用相控阵探头1放置在叶身外弧表面，激发横波、扇形扫查检测内弧局部区域缺陷，见图5；序列3：将专用相控阵探头2放置在进汽侧、出汽侧平台，激发纵波、扇形扫查检测外弧靠近两端的缺陷，见图6，其实际检测数据见图7a)；序列4：将专用相控阵探头3放置在进汽侧、出汽侧平台，激发横波、扇形扫查检测内弧靠近两端的缺陷，见图6，其实际检测数据见图7b)；缺陷显示a)探头在叶身内弧扫查位置b)CIVA模拟图与实际检测数据对比图4检测序列1缺陷

6、显示a)探头在叶身外弧扫查位置b)CIVA模拟图与实际检测数据对比图5检测序列2a)探头在平台扫查位置b)序列3、序列4声束传播路径图6检测序列3、序列4缺陷显示图7a)检测序列3实测数据缺陷显示图7b)检测序列4实测数据根据图8分析可知：上述检测序列1～4仍然不能实现对第一齿根部位的全覆盖，可以看到在内弧两侧端部仍然存在一定区域的检测盲区，进汽侧盲区长14.5mm、出汽侧盲区长22.0mm,因此对该型枞树型叶根需要增加扫查，见序列5。序列5：将专用相控阵探头1放置在叶根两侧端面，激发横波、扇形扫查检测上述盲区，见图9。图8检测序列1～4无法覆盖的

7、区域缺陷显示a)探头在端面扫查位置b)实际检测数据图9检测序列53.3叶根相控阵检测3.3.1探头的设计原则叶根与叶身的尺寸变化比较大，不同部位所需要的检测角度不一样，且角度范围比较大。根据检测序列不同分段提取若干叶片叶根的剖面图，垂直外弧面的剖面提取见图10。根据剖面图确定所需角度范围，设计相应的相控阵探头和楔块；同时考虑到扫查空间较小，探头的外形在满足检测的同时尽可能的小。图10探头在叶身外弧检测内弧根部时的剖面提取3.3.2灵敏度的确定随着叶身与叶根的各自变化，声束与第一齿根处夹角也在变化，相同的人工槽其回波波幅相差较大。检测前在同种叶片根部

8、加工人工反射体作为检测用试块，将该反射体设定为（深×长×宽）：1×5×0.2(单位：mm)。将所检测区域回波波幅最低的人工