基於變型波的汽輪機葉片葉根超聲檢測新方法

最新 03-03

本文摘要：

對汽輪機葉片葉根進行有效可靠檢測，可為機組的安全經濟運行提供重要的技術支持。

本文提出了一種利用專用探頭髮射的橫波，在葉根內部傳播過程中發生波型轉換而產生變型表面波，從而對葉根易產生裂紋的部位進行檢測的新方法。

該方法克服了目前在役汽輪機葉片葉根常規超聲檢驗方法的技術局限性和現場適用條件的限制，其準確性、靈敏度及適用性獲得顯著提高，尤其在高壓轉子葉片T型葉根檢測方面具有較好的應用推廣前景。

開篇

聯合循環汽輪機是燃氣-蒸汽聯合循環電廠的主要部件，而葉片則是聯合循環汽輪機實現熱功轉換的核心部件，其結構完整性是保證其安全穩定運行的重要因素。

一台聯合循環汽輪機包括很多級葉片，其中任意一片發生斷裂都可能導致整個機組的嚴重事故，造成重大損失甚至是人員傷亡。

而葉片根部受力較大，腐蝕嚴重，易發生應力腐蝕斷裂。

T型葉根是聯合循環汽輪機葉片最常見的葉根形式之一，其結構複雜、探測面小。

若葉根在拆卸情況下進行檢測，會延長檢修周期，且拆卸工藝複雜、成本高。

因此，開發出T型葉根在不拆卸的情況下進行有效檢測的方法具有重要意義。

微型直探頭縱波檢測法是T型葉根最為常用的檢測方法之一，是在前人科研成果和現場長期實踐經驗的基礎上發展起來的，是目前T型葉根檢測的常規方法。

但是，其也存在檢測盲區大，耦合不穩定，邊界影響大，檢測靈敏度低等技術局限性，對檢測人員的操作經驗和技術水平的要求較高，導致其現場適用性進一步下降；

近年來快速發展起來並已廣泛應用於工業無損檢測的超聲相控陣技術可對葉根實施動態掃查和動態聚焦，其檢測分辨力、信噪比和靈敏度較常規超聲技術均有很大提高，但是其因耦合面、探測空間（葉片與葉片之間的空間狹小）等現場條件限制，定製的超聲相控陣探頭晶片陣列數量較少，有效聲闌不夠，導致其技術方法特點無法有效發揮及實際效果不理想。

對常用超聲檢測中檢測用縱波、橫波、表面波傳播特性的分析表明，相同頻率下的縱波檢測靈敏度低於橫波，而表面波對錶面及近表面缺陷較為敏感。

從原理上來說，雖然表面波檢測可以獲得最高的檢測靈敏度，但是T型葉根的結構決定了無法直接應用表面波對其易產生裂紋的部位進行檢測。

本研究解決此類問題的思路在於：基於T型葉根的特殊內部結構，使從超聲波探頭髮射的橫波在葉根內部傳播過程中發生波型轉換而產生變型表面波，利用產生的變型表面波對葉根易產生裂紋的部位進行檢測，從而提高檢測靈敏度和準確性。

一、葉根變型波檢測形式

變型波，顧名思義就是超聲波在傳播過程中發生波型轉換而產生的波。

變型表面波通常由衝擊或入射在表面的非平面波產生。

當斜探頭產生的橫波切向入射到橫孔或相當於橫孔表面的邊角時，會產生變型表面波，如圖1所示。

基於T型葉根的特殊內部結構，使從超聲波探頭髮射的橫波在葉根內部傳播過程中發生波型轉換而產生變型表面波，利用產生的變型表面波對葉根易產生裂紋的部位進行檢測。

根據T型葉根裂紋故障相關資料綜合分析，斷裂的T型葉根裂紋的特徵是：

葉根的裂紋大部分是從葉根與葉輪齒的接觸面上邊界附近發源的，並大體上沿與接觸面相垂直的方向擴展。

當葉片在運行工況下，葉輪齒與葉根因膨脹而緊接觸受力，故該處葉輪齒與葉根接觸面的邊界處應力最大，此處距肩台底面約2～3mm。

因此，裂紋可能產生的位置在F1, F2, F3及F4，如圖2所示，其中以出汽側F1處產生裂紋的概率最大。