燃氣輪機壓氣機動葉超聲波檢測方法研究

羅宏建，周重回，張 杰

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

由于具有效率高、污染低、體積小、投資少、啟停靈活等優點，燃氣輪機聯合循環發電機組在國內發展很快，相繼引進安裝了多種國外的大容量機組。而近年來國內燃機電廠頻繁發生壓氣機葉片斷裂的惡性事故，造成巨大的經濟損失。對燃氣輪機壓氣機動葉進行預防性檢測，防止葉片及葉根斷裂是確保機組安全運行的重要手段。

現階段汽輪機葉片超聲波檢測遵循DL/T 714-2000《汽輪機葉片超聲波檢驗技術導則》，該導則只適用于火力發電廠600MW以下汽輪機葉片的葉身和葉根超聲波檢驗，燃氣輪機壓氣機葉片的超聲波檢測并未涉及。本文主要介紹國內應用比較廣泛且發生事故較多的燃氣輪機壓氣機R0級動葉的超聲波檢測方法。

1 葉片的結構型式

典型的燃氣輪機壓氣機R0級動葉主要有2種結構型式，如圖1、圖2所示。這2種葉片的根部都是燕尾槽型式，葉根兩側端面距離是44 mm。葉片呈螺旋形，壁厚從兩側的3 mm逐漸增至中間的30 mm。不同的是，一種在葉片根部8 mm臺階的端部有開槽，而另一種端部未開槽。

圖1 R0級葉片結構型式1

圖2 R0級葉片結構型式2

從圖1、圖2可以看出，R0級葉片在葉根的開槽F1處（圖2是葉根最小截面處）及葉片與葉根變截面F2處存在較大的應力集中。裂紋主要產生于這2個區域，并在應力的作用下不斷擴展以致失效。因此該類型葉片超聲波檢測的重點部位是F1及F2處。

2 葉片的超聲波檢測方法

如圖1所示，從葉片的結構上看，葉片檢測時，探頭只能放置在葉根的臺階處（位置1）及葉身處（位置2）。選擇的超聲波檢測方法應盡可能滿足：主聲束垂直于裂紋方向；裂紋產生的回波信號避開雜波信號或固有回波，波形單一，容易判斷；確定探傷靈敏度用固有回波信號。根據以上結構形式特點，選擇在位置1使用縱波檢測和在位置2使用橫波檢測相結合的方法。

2.1 縱波檢測

在位置1使用縱波直探頭在進氣側和壓力側的肩臺左右平移探頭對葉根進行掃查，旨在發現8 mm臺階處是否有裂紋。由于葉根只在兩側端面有平臺，而且平臺狹小，探頭放置困難，掃查范圍受到限制，因而采用了微型直探頭V1091 5.0/0.125（5MHz，直徑3 mm），體積小，初始雜波少，靈敏度高，近場區小，能清晰分辨出8 mm處的缺陷波。

檢測靈敏度調節應使微型縱波探頭置于平臺上，找出葉根底部44 mm的回波，使其達到80%高度，然后提高20 dB增益即完成。根據文獻[1，2，3]，認為該靈敏度足以發現深1 mm的裂紋。

檢測時左右移動探頭，找到葉根底部回波，如圖3所示，若葉根無裂紋，則除底部回波外，其前后位置無波形顯示。若葉根有裂紋，則在底部回波前，深度位于臺階附近會出現裂紋波。另外，由于裂紋波的存在，底部回波可能全部被遮擋，如圖4所示。

2.2 橫波檢測

由于只有葉根兩側端面存在平臺，直探頭掃查范圍有限，葉根中間部位是檢測盲區，因此使用橫波探頭在葉身兩側對葉根進行掃查。

橫波探頭應該選擇體積小、靈敏度高、前沿短的探頭，另外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5 mm×6 mm。探頭的角度應保證聲束能穿過葉根的危險區域F1及F2。如圖5所示，當探頭角度為50°時，聲束穿過F1和F2后正好能達到端角B1（通過畫圖及手指蘸油拍打可以確認B1位置），且聲束為50°時，端角反射率為100%[3]，因此，采用50°探頭對葉根進行掃查。

圖3 無裂紋時檢測波形（只有底波）

圖4 存在裂紋時檢測波形（底波已經消失）

圖5 R0級葉片斜探頭掃查示意

檢測靈敏度調節時，將微型橫波探頭置于葉身，找出葉根底部B1（深度顯示約50 mm，水平位置位于B1處）的回波，使其達到80%高度，然后提高20 dB增益即可。

移動探頭，找到底部回波B1如圖6所示。若無裂紋，則除底部回波外，其底波前無波形顯示。若葉根有裂紋，則缺陷波出現在底部B1前，深度及水平位置位于臺階F1或位于葉根變截面F2處，由于裂紋波的存在，底部回波部分可能全部被遮擋，如圖7所示。

圖6 無裂紋時的檢測波形（只有B1波）

圖7 存在裂紋時的檢測波形（底波已經消失）

3 葉片的相控陣檢測技術

R0級動葉的葉身厚度由3 mm變化至30 mm，而且裂紋角度具有多樣性，因此單角度的斜探頭聲束掃查范圍有限，不能完全覆蓋危險區域F1及F2，為此引入超聲相控陣技術對該類型葉片進行檢測。

3.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣檢測技術是通過電子系統控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規則發射和接收超聲波，動態控制超聲聲束在工件中的偏轉和聚焦，從而實現材料的無損檢測。通常在一維或者二維空間排列若干單元換能器組成陣列。每個單元換能器連接各自獨立的發射和時間延遲電路，按照事先設定好的序列和延遲時間，人為預定各單元換能器發射聲波的相位。所有單元換能器在檢測對象中產生的超聲場相互干涉疊加，會因其相位關系產生的相長干涉和相消干涉而得到預期的波束入射角度和焦點位置。設計不同的激勵序列和延遲時間，可以獲得具有不同入射角和焦點位置的波束[4]。

3.2 檢測設備

采用OmniscanMX16/128相控陣檢測儀，使用OMNI-M-PA16128PR采集模塊，能產生和顯示S，A，B及C掃描圖像，圖像能被儲存并作后續分析評價。選用一維線性陣列探頭10L16-A00，由16個晶片組成，標稱頻率10MHz。探頭楔塊為 SA00-N60S（60°楔塊）。

3.3 檢測結果分析

進行檢測前，對相控陣檢測校準設置進行校準，包括聚焦法則延時校準、靈敏度校準及編碼器校準等。扇形掃查角度設定為30°～60°。檢測靈敏度調節時，應使探頭置于葉身，找出葉根底部B1（以50°角度為準）的回波，使其達到80%高度，然后提高20 dB增益即可。

圖8是探頭沿葉身從端部一側掃查到另一側得到的B掃描圖，左上方是A掃查圖，右上方是扇形掃查圖，下方是B掃描圖。如圖所示，當探頭位于無缺陷位置時，A掃描及扇形掃描只存在底部回波，其底波前無其它顯示。若葉根有裂紋，則缺陷波出現在底部B1前，深度及水平位置位于F1或F2處，如圖9所示，從扇形掃描圖可以看出，38°～54°聲束都對缺陷有反應，而且幅度各不相同。另外從B掃描圖可以清楚看出缺陷的長度、深度及形狀。可見，使用相控陣檢測技術可以獲得更多的信息，缺陷更加容易判定，檢測結果直觀，圖像可視化。

4 結論

（1）使用縱波和橫波相結合的燃氣輪機壓氣機動葉超聲波檢測方法，能準確、靈敏地區分裂紋信號和固有信號，及時消除壓氣機葉片存在的隱患，為燃氣輪機安全運行提供監督手段。

（2）將超聲相控陣成像技術應用到燃氣輪機壓氣機動葉的超聲波檢測，使用單探頭就可以實現多角度掃查，能準確區分固定反射信號和缺陷反射信號，使缺陷判定更容易。另外，相控陣檢測結果直觀，有利于缺陷的識別及定性，能提高缺陷的檢測、定位、定量和定向精度，并且數據能永久儲存，可用于動態回放分析。

圖8 B掃描圖（探頭位于無缺陷位置時）

圖9 B掃描圖（探頭位于存在缺陷位置時）

[1]DL/T 714-2000汽輪機葉片超聲波檢驗技術導則[S].北京：中國電力出版社，2001.

[2]李克明，劉德榮，張志永.超聲波探傷[M].北京：電力工業出版社，1980.

[3]沈建中.無損檢測的幾個熱點問題和技術[J].無損檢測，2005，27（1）∶26.