摘要:該汽輪機,投運已30多年,步入老齡化階段,汽輪機葉片處于復雜應力狀態下工作，葉片常常因為設計、材質、加工精度、組裝工藝等問題,隨著時間的延長,產生裂紋,并不斷擴展,本文運用了超聲波橫波檢驗方法，對該電廠汽輪機葉片裂紋進行檢測。
　　關鍵詞:汽輪機葉片、裂紋、超聲波檢測、橫波
　　
　　0前言
　　某發電廠2號機組,是前蘇聯列寧格勒金屬工廠1972年生產的K-100/90-7型雙缸凝汽式汽輪機組，功率100MW,1974年9月投產,截止2004年6月,累計運行時間20.4萬h,期間已進行過11次大修。低壓轉子24/29,25/30級葉片型號分別為1450/476,1147/749型,葉片總長分別為524mm,650mm,葉根長分別為92mm,105mm,根部下寬為35mm,32mm,對稱1圈分別安裝99片,102片,葉根為4叉型騎縫雙鉚孔葉根,葉根叉齒寬度為15mm。
　　
　　1問題提出
　　該汽輪機,投運已30多年,步入老齡化階段,汽輪機葉片處于復雜應力狀態下工作,葉片常常因為設計、材質、加工精度、組裝工藝等問題,隨著時間的延長,產生裂紋,并不斷擴展,嚴重地威脅著汽輪機運行的安全性,特別是長葉片葉根發生斷裂,后果不堪設想。
　　傳統檢測方法,采用超聲表面波檢測次末級(24/29級)一側葉根,如圖1。由于葉根水平面外露的寬度窄,對表面波探頭入射點的要求非常苛刻,而且對探頭加工要求非常高,否則,嚴重影響探測精度。水平面外露特別窄的部位,將無法探測,造成漏檢。并且表面檢測時,受葉片表面質量的影響,如:葉根與輪盤間的氧化皮,或鉚孔附近的鋼印、劃痕等,常常與實際的裂紋波混淆,造成誤判,葉根部位的檢測質量較低。特別在1996年,更換末級(30級)葉片時，由于鎖孔打偏，焊補鎖孔后，為保證根部強度，做點焊外露葉根處理，增大了葉根部位的應力，需定期監督檢查，而末級葉片葉根水平面無外露部分(如圖2)，根本無法采用表面波探測，必須研究一種更適用的探測方法。
　　
　　
　　圖1叉型葉根結構及表面波檢測原理
　　
　　                                                                                                                              圖2橫波檢測原理圖
　　
　　
　　2橫波檢測的技術條件
　　2．1臺肩上橫波探測的可行性分析
　　如圖2所示，可以看出，采用臺肩部位橫波檢測，比較適宜。分析形成橫波入射的入射角由葉片肩部導角決定,經實際測量次末級(24/29)葉片、末級(25/30)葉片導角分別為36°，31°，如圖3,即形成的折射角為54°，59°，包含在橫波形成的折射角38°～80°范圍內,由此確定入射角的K值分別是1.38，1.66，橫波探測角度比較適中。
　　                
　　                                                                               圖3葉片導角及橫波折射角度示意圖
　　2．2橫波檢測的優點
　　從葉根結構上看,臺肩上放置探頭不受葉根水平面外露尺寸的限制,且探測面大,形成的橫波可以覆蓋整個叉齒,還可以防止表面波檢測齒部下面位置缺陷容易漏檢的缺點,且由于入射的橫波角度適中,檢測對缺陷回波的干擾較小,檢測儀器容易調整,缺陷直觀,便于觀察判斷。
　　2．3存在的問題
　　從葉根的結構看,根部的臺肩皆為凹型弧面,曲率為R37.5,探頭與探測面不能良好耦合,給檢測帶來不便。若將探頭修磨成凸型弧面,一是聲波難控制,二是探頭修磨大,易出現雜波,干擾裂紋波的識別,影響檢測效果。
　　2．4采取的措施
　　2．4．1探頭的選擇
　　為克服存在的問題，從探頭的選擇考慮，由入射角的計算可以看出，橫波檢測不需要制作專門的探頭,考慮探頭與探測面的耦合性,可以選晶片尺寸較小的探頭，如選晶片尺寸為6mm×8mm，或更小些,K值選1.8(略大于分析確定的K值)，盡量減少修磨尺寸,并可使探頭修磨成仰角,來增大耦合面。考慮到探頭有一定的擴散角，兩種葉根導角相差不大，可用一種探頭對兩種葉根探測。因為葉根長度適中,頻率可選2.5～5MHz,探頭前沿可不予考慮。
　　2．4．2儀器、試塊的選擇
　　為提高缺陷檢出的準確性,選用數字超聲波探傷儀(本文試驗選用漢威HS510型超聲波探傷儀)，以便精確確定缺陷位置。試塊:CSK-ⅠA型、CSK-ⅢA型、同類型葉根試塊。
　　
　　3探傷工藝的確定
　　3．1探頭的磨制
　　選P5K1.8晶片尺寸6mm×8mm的探頭，磨仰角約呈10°，略有外凸弧度,利用CSK2ⅢA型試塊測定K值為1.4～1.6即可。
　　3．2掃描比例及靈敏度的調節
　　葉根試樣上，以上、下鉚孔波位置調節掃描比例，輸入橫波聲速3230m/s，按聲程實際數值為讀數，并根據葉根長度選擇底波的適中位置(即確定探測范圍)。
　　探傷靈敏度,可以用下鉚孔部位人工加工2mm，深槽反射波80%高+2dB為掃查靈敏度,或底波80%高-20dB為掃查靈敏度。
　　3．3探測及判定
　　為達到良好的耦合效果,采用黃油耦合劑。掃測葉根整個導角面,左右或上下移動探頭,會出現上鉚孔回波、底波和下鉚孔回波。左右均勻移動探頭時,波形均勻出現,顯示器上波聲程讀數不變時,為正常。波的位置、能量在移動探頭時發生改變,或對底波的覆蓋,或在鉚波后又出現回波,皆為異常情況,可以通過出現波的實測位置,波幅度大小來判定,≥6dB時判傷。
　　
　　4現場應用
　　對2號機末級(25/30級),次末級(24/29級)合計402片葉根進行探測,發現4片葉片根部有明顯缺陷回波信號,主要特征為:缺陷波和鉚孔波并存(一般缺陷波緊隨鉚孔波后,為鉚孔處裂紋缺陷)。不在鉚孔處的裂紋也會出現缺陷位置的回波信號,可通過波型位置識別(如圖4a,b)。還可以通過缺陷波幅大小的比較,定位測長,測量裂紋長度。如圖4c,d所示,為葉根叉齒內側3mm長裂紋回波,缺陷波緊跟隨鉚孔波,波型明顯,很容易分辨判傷。4片葉根經檢修人員拔出后,與探測結果對照,完全穩合。
　　
　　5結論
　　叉形葉根橫波檢測,可以克服表面波檢測范圍小、容易漏檢和誤判的缺點,且缺陷波直觀、明顯,大大提高了葉根檢測的準確性、可靠性。并有操作簡單、檢測效率高等優點,實踐證明是一種對叉型葉根裂紋檢測的理想工藝。
　　
　　參考文獻:
　　[1]中國機械工程學會無損檢測學會.超聲波探傷[M].北京:機械工業出版社,1998。