核電廠汽輪機低壓轉子葉片常見缺陷及其檢測

尹 峰 ，洪源平，戴恒才，邱文軍，李世偉，陳其榮，操 豐

（1.中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300；2.三門核電有限公司，三門 317112）

核電廠汽輪機低壓轉子葉片在工作時要受高速旋轉離心力、高溫、腐蝕和沖蝕等復雜工作環境的影響，設計的不合理、材料不符合要求、機械加工質量不好、組裝工藝不良、運行工況變動等常引起葉片斷裂事故［1］。運行中的葉片一旦斷裂、脫落，將直接損害汽輪機轉子、葉片和隔板，甚至危及機組的運行安全。

筆者深入分析了核電廠汽輪機低壓轉子葉片常見缺陷及其產生原因，提出了采用超聲相控陣、熒光磁粉檢測等無損檢測技術對其進行檢測，總結了表面處理、焊接修復等缺陷處理措施，可有效降低因葉片失效導致的核電廠停機概率，提高機組運行的安全性和經濟性。

1 缺陷類型與產生原因

不同堆型和功率參數的核電汽輪機低壓轉子葉片的結構形式、規格參數和制造工藝都不相同。汽輪機葉片的主要制造工藝流程為：下料→鍛造→退火→機加工→熱處理（淬火＋高溫回火）→精加工。葉片常見缺陷可分為設計與制造缺陷、運行中產生的缺陷兩大類。

1.1 設計與制造缺陷

1.1.1 設計缺陷

汽輪機葉片設計涉及流體力學、振動、材料科學等多門學科，國內葉片的設計和制造單位在引進和消化國外參考葉片時除了要保持結構參數和力學性能一致外，還應特別關注共振、熱處理工藝等細節，必要時應嚴格和細化設計方案審查。例如，末級葉片模態分析時不僅要對比靜態頻率是否處于正常值范圍，還要避開汽輪機轉子整體的各階諧振頻率以防止出現共振；末級葉片頂部鑲焊司太立合金片的退刀槽應圓滑過渡，如圖1所示的直角退刀槽極易導致應力集中而成為裂紋起裂區。

圖1 直角退刀槽

1.1.2 材料缺陷

核電汽輪機葉片材料主要是2Cr13 和0Cr17Ni4Cu4Nb等，后者是在Cr17 基礎上加入Cu、Nb等強化元素，并在400～650 ℃析出時效硬化相ε－Cu、NbC、M23C6等碳化物而產生沉淀硬化，耐蝕性較Cr13型馬氏體鋼好。葉片材料中的雜質及不良組織，如δ鐵素體、塊狀碳化物、夾雜物等缺陷，對葉片的力學性能、疲勞壽命和耐腐蝕性能影響較大，必須加以嚴格控制。如果葉片材料存在原始缺陷，投入使用后易產生疲勞裂紋源而引起脆斷。

1.1.3 機械加工與裝配缺陷

汽輪機葉片加工精度低，不僅會導致應力集中還會影響動平衡性能。如葉根銷釘和銷釘孔部位若加工粗糙，將導致此處應力集中，極易導致葉根銷釘孔處斷裂。裝配質量直接關系到轉子的動平衡性能，若裝配不佳可導致圍帶緊配接觸面積小，減少了圍帶的機械阻尼，導致葉片共振時的動應力水平進一步增大。

1.1.4 司太立合金釬焊缺陷

末三級葉片頂部司太立合金片銀釬焊是核電汽輪機新葉片制造階段僅有的焊接工藝。由于銀釬料或司太立合金片的化學成分，釬焊時的焊前預熱、焊接溫度、加熱時間、冷卻速度和焊后熱處理方式等控制不當均可能導致釬焊接頭出現疏松小孔、結合不良等缺陷。

1.2 運行期間產生的缺陷

1.2.1 共振疲勞損壞

作為彈性體的葉片具有無限階次的自振頻率，當受到周期性外力作用時，就會按激振頻率而受迫振動。如何避免共振是汽輪機設計、裝配時需要重點考慮的。如果設計不當或裝配不佳，當葉片－葉輪系統振動頻率落入一定范圍時，可能產生共振，振動傳入葉根導致薄弱部位疲勞損壞。因此需要定期對葉片進行振動頻率測定，避免出現“三重點”共振。

1.2.2 水蝕

受蒸汽品質限制，核電汽輪機末三級葉片工作在易析出水滴的低壓區，在蒸汽作用力、激振力及水滴沖刷的共同作用下，葉片頂部進汽邊和根部出汽邊極易遭到水蝕，表面呈蜂窩狀、邊緣為鋸齒形，嚴重時出現缺口，破壞葉片型線。葉片水蝕后不僅降低了汽輪機的熱效率，而且極易在水蝕區域造成應力集中而萌生裂紋，如不及時加以修復與防護，葉片水蝕損傷擴展可能會導致葉片的斷裂失效［2］。某葉片根部典型水蝕形貌如圖2所示，除了主動采用去濕設計外，還可通過表面強化或鑲焊司太立合金來提高葉片的抗水蝕性能。

圖2 某汽輪機末級葉片根部水蝕形貌

1.2.3 點蝕

葉片點蝕是指金屬表面局部出現腐蝕小孔并向縱深處發展的一種點狀潰蝕。點蝕不僅發生在動葉片的背弧進汽側，而且也出現在不受蒸汽直接沖擊的葉片內弧、葉根、圍帶等處［3］。其主要產生原因有：表面狀態不佳、局部硬傷、表面鈍化膜破裂、微區化學成分的差異、殘余應力較高等。點蝕會嚴重損傷葉片抗疲勞性能，甚至導致運行中的葉片斷裂。

1.2.4 疲勞斷裂

在高速旋轉產生的周期性疲勞載荷作用下，葉片中存在的應力集中、微裂紋、不連續等缺陷極易擴展直至完全斷裂，斷口往往出現在應力較大的葉根部位。在交變載荷作用下，葉片中的交變應力在遠小于材料強度極限的情況下就可能發生疲勞破壞，宏觀上表現為無明顯塑性變形的突然斷裂，其危險性和破壞性遠超靜力破壞，應重點關注。

2 汽輪機葉片檢測技術

對葉片缺陷產生原因的分析，應參照DL／T438－2009《火力發電廠金屬技術監督規程》的要求，并借鑒核電行業的經驗反饋對汽輪機葉片進行無損檢測，以確保葉片的安全。隨著無損檢測技術的發展，除了測頻和常規滲透檢測、渦流檢測和射線檢測外，近年來超聲相控陣、熒光磁粉等技術逐漸被引入葉片檢測。

2.1 葉根相控陣檢測

圓弧樅樹型葉根因其軸向斷口為尖劈形結構，應力分布相對均勻而被大量使用于汽輪機低壓轉子末級和次末級的制造中。圓弧樅樹型葉片根部應力大，通常在第一或第二齒根表面位置應力達到極大值，絕大多數根部裂紋均出現在第一齒根內弧或外部位；加之葉根部位結構復雜且間距狹小，傳統超聲難以對其進行不拆卸檢測，且各種回波信號在A 型顯示中難以判別，相控陣技術可以很好地克服這些難點，而且檢測速度快、效率高，逐漸被引入樅樹型葉根檢測。經過模擬仿真和試塊實測，設計了多個掃查序列：①掃查外弧側葉身可檢測內弧側中部。②掃查內弧側葉身可覆蓋外弧側中部。③掃查肩臺可覆蓋內弧、外弧側兩端。④端部掃查。這樣可以實現第一齒根的全覆蓋，檢驗靈敏度達到0.5mm。使用相控陣探頭掃查某樅樹型葉根相內弧面，可以檢查葉根第一齒外弧側中部，掃查路徑如圖3 所示。利用CIVIC軟件模擬表明內弧面掃查可以實現第一齒根全覆蓋，人工反射體的缺陷回波在A 掃模式下清晰可見，如圖4所示。

圖3 相控陣探頭在葉身內弧掃查模型

圖4 CIVA 模擬圖與實際檢測數據對比

2.2 葉身超聲導波檢測

超聲導波檢測葉片一次可掃查一條線，聲場遍及整個壁厚，既可以檢測葉片的內部缺陷也可以檢測表面缺陷。采用斜探頭激勵導波，將探頭放置在葉片端部激發導波，導波沿葉身進行傳播，到達葉身與葉根連接位置反射回來，由探頭接收。分析對稱模式S0和反對稱模式A0導波在葉身中的傳播特性，檢測頻率可選取1 MHz。為了達到毫米級的檢測靈敏度，需在葉片外弧面和內弧面加工5mm×0.5mm×0.2mm的橫向模擬缺陷用于儀器校驗。針對不同試樣不同位置的缺陷在不同距離進行測試，能滿足葉片葉身的全長度一次檢測要求。該方法檢測速度快、靈敏度高、可靠性好。

2.3 熒光磁粉檢測

葉片熒光磁粉檢測可采用線圈法和磁軛法，操作簡單，靈敏度高，不受被檢工件表面顏色限制。磁懸液體選用水基型TIEBE655熒光磁粉濃縮液，按照1∶35比例進行配置，周向磁化安匝數選擇8 400～9 000安匝，暗場環境或紫外燈下檢測靈敏度達到A1－15／10。線圈法檢查效率高，對與葉片軸線垂直的缺陷更敏感；而磁軛法檢測靈活性強，能有效檢出與葉片軸線平行的缺陷。在暗室條件下對加工有人工傷的某次末級葉片根部進行了熒光磁粉檢測試驗，結果如圖5所示，圖中3mm×0.5mm 的線槽清晰可見。

圖5 葉片根部人工傷熒光磁粉測試結果

2.4 滲透檢測

滲透檢測可檢測葉身、葉根、司太立合金釬焊等部位，具有操作簡便、結果直觀等特點。檢測時，通常采用溶劑去除型滲透劑，為了使滲透液能夠順利地滲入缺陷中，必須清除葉片表面的油污、結垢和腐蝕坑、沖刷劃痕等。探傷時照明度不得低于350Lux（勒克斯），且不允許用清洗劑直接沖洗受檢表面。

2.5 渦流檢測

當渦流探頭在葉片表面移動，遇到缺陷或電導率、磁導率、幾何形狀等變化時，將引起線圈阻抗變化，通過渦流檢測儀器測量出這種變化量就能鑒別葉片表面有無缺陷或其他性質變化。渦流檢測特別適用于葉片表面和近表面檢測；無需耦合劑和表面處理；檢測速度快，可實現自動化檢測。葉片渦流檢測頻率范圍為0.5～2MHz，掃查速度控制在0.1～0.3 m／s，檢測信號大于1mm 缺陷當量幅度為超標缺陷。

2.6 靜頻測量

國內大多核電機組汽輪機低壓轉子葉片均為間隙配合裝配，由于葉根與葉輪槽存在較大間隙，用常用測葉片靜態的自振法、共振法、頻譜分析法均無法測出正確的靜態頻率。因此，可在葉根與葉輪槽之間注入粘合劑固化，俗稱注膠，以模擬機組在運行時離心力的作用來測量葉片靜頻，再采用快速傅立葉（FFT）方法對聲音頻譜進行分析。注膠前應檢查并清除葉片表面、葉根及葉根中間體內可能存在的污垢。

3 汽輪機葉片缺陷處理

運行中汽輪機低壓轉子葉片缺陷形式多樣，產生原因各異，應及時開展失效分析工作。若缺陷為設計、制造工藝、運行工況等引起的共模缺陷，則需要徹底消除缺陷產生的因素；若為偶發缺陷，可視嚴重程度進行修復或更換。

3.1 表面處理

對于葉片表面的較淺缺陷，應予以打磨消除，打磨時應注意深度控制，且考慮動平衡性能。為提高葉片疲勞性能和抗應力腐蝕等性能，可通過噴丸強化或滾壓等在葉片表層形成組織強化層和殘余壓應力層，噴丸結束應及時排除折皺、裂紋、鱗刺、刀痕和機械損傷等缺陷。

3.2 焊接修復

對于水蝕導致司太立合金片缺損或脫落的葉頂，可以在不傷及葉片母材的情況下剔除殘存合金片和釬焊層，再按照合格工藝重新釬焊新司太立合金片。

對于因水蝕導致葉片材料缺損或斷裂，但沒有鑲焊司太立合金的部位，可以采用鎳基堆焊進行焊接仿形修復，修復后不能有型線變形，焊接殘余應力和殘余變形要小。此外，為提高葉片抗水蝕性能，可采用超音速噴涂技術對葉片水蝕局部或整體噴涂耐磨性能和抗沖蝕性能優良的WC－Co或NiCr耐水蝕涂層［4］。

3.3 更換或對稱切除葉片

當檢測葉片發現裂紋時，應對存在裂紋的葉片及時進行更換處理，若因無備件等因素無法更換時，可割除開裂葉片和位向相對應的葉片，必要時進行動平衡試驗。

4 結語

分析了核電廠汽輪機低壓轉子葉片在設計、制造、安裝及運行中產生的各類缺陷，討論了相控陣、熒光磁粉等無損檢測方法和焊接仿形修復等消缺技術。實踐中應針對葉片的不同部位和常見缺陷，結合機組的運行歷史和外部經驗反饋有針對性的制定無損檢測方案，為汽輪機組的長期安全運行奠定基礎。

［1］王江洪，齊琰，蘇輝，等.電站汽輪機葉片疲勞斷裂失效綜述［J］.汽輪機技術，1999，41（6）：1－6.

［2］鄢宇鵬，孫弼，蔡頤年.汽輪機動葉片水蝕問題的研究［J］.汽輪機技術，1994，36（5）：305－310.

［3］程紹兵，刁偉遼.300 MW 汽輪機葉片點蝕損傷機理分析及預防措施［J］.熱力發電，2003（12）：46－47.

［4］李巍，李太江，王紹東，等.汽輪機末級動葉片水蝕損傷修復與防護試驗研究［J］.熱力發電，2011，40（1）：41－44.