抽水蓄能電站軸瓦超聲波檢測技術分析

杜建偉，吳 靖，李冬華，汪小平

（國網新源控股有限公司檢修分公司杭州分部，浙江省杭州市 310000）

0 引言

抽水蓄能機組使用軸瓦通過滑動摩擦對機組進行固定，由于蓄能電站水頭普遍較高，機組轉速較大，盡管采用透平油對摩擦面進行潤滑，但機組振動對于軸瓦的沖擊以及摩擦面內對油膜的剪切給予巴氏合金的剪切力，使得巴氏合金層與軸瓦鋼襯受力復雜，導致現在諸多家電站出現軸瓦脫殼缺陷。

此外，隨著機組服役時間增加，軸瓦發生蠕變，又由于服役過程中受到交變應力，導致結合面和巴氏合金本身力學性能下降，當達到臨界點時，出現脫殼缺陷。

軸瓦是發電機組的重要受力部件，及時有效的檢出缺陷，能有效地避免燒瓦事件，避免機組非計劃停運以及可能帶來的其他后果。

1 檢測條件分析

1.1 抽水抽蓄電站軸瓦結構

華東某抽水蓄能電站目前采用全傘式機組，具有上導瓦，因此在無損檢測時需要對上導瓦、下導瓦、水導瓦、推力瓦進行無損檢測，上導瓦、下導瓦、水導瓦具有一定的弧度，其曲率半徑等于各自所環抱大軸的半徑，在瓦面進行超聲波檢測時，曲面瓦底波與大平底底波比較，根據式（1）和式（2）

式中P——心圓柱體內孔檢測回波聲壓，Pa；

P0——波源的起始聲壓，Pa；

fs——波源面積，mm2；

λ——波長，mm；

x——反射體至波源的距離，mm；

D——空心圓柱體外徑，mm；

d——空心圓柱體內徑，mm。

式中Δ——大平底與空心圓柱體回波聲壓差，dB；

P1——空心圓柱體回波聲壓，Pa；

P2——大平底回波聲壓，Pa。

使用底波檢測，D=1210mm，d=1100mm，計算得Δ=0.4dB，即在曲面一次底波達到80%高時，大平底底波會在76%高，而用界面反射波檢測時，一般抽蓄巴氏合金層的厚度僅為3～5mm，D≈d，這個差值會更小，因此本文選用曲率半徑無窮大的推力瓦來說明軸瓦檢測過程。

1.2 巴氏合金層結合特點

巴士合金是在α固溶體中分布著硬質合金質點[1]，通過鑄造，與鋼襯通過金屬鍵形成化學結合，在鑄造過程中，對鋼襯的表面粗糙度有著嚴格的要求，因此成型的軸瓦巴氏合金層厚度比較均勻，這對于超聲波檢測檢測與脫殼分析帶來了便利。

1.3 耦合對于檢測的影響

目前電站軸瓦的超聲波檢測使用汽輪機油作為耦合劑，探頭為有機玻璃，軸瓦為巴氏合金層，這就形成了異質薄層，異質薄層聲強透射率：

式中T——聲強透射率；

Z1——介質1聲阻抗，g/cm2·s；

Z3——介質3聲阻抗，g/cm2·s；

D2——異質薄層厚度，mm；

λ2——聲波在異質薄層中的波長，mm；

Z2——異質薄層聲阻抗，g/cm2·s。

由公式可以看出，不同的油膜厚度（d2）會導致不同的聲壓透射率，另外不同的油膜厚度也會存在不同的聲壓衰減，所以為了便于比較，在檢測時應控制手法找到最高波。

2 單晶直探頭的檢測理論分析

2.1 理想條件下界面波與底波波高差

在使用縱波垂直入射時，材料聲阻抗為：

式中z——聲阻抗，g/cm2·s；

ρ——材料密度，g/cm2；

c——材料中聲音傳播速度，s。

巴氏合金密度ρ=7.3g/cm3，聲速為CSn=3320m/s，鋼中聲速5900m/s，巴氏合金與鋼襯聲阻抗分別為：

式中Z4——錫的聲阻抗，g/cm2·s；

Z5——鋼的聲阻抗，g/cm2·s。

聲壓反射率為：

式中r——聲壓反射率。

聲壓透射率計算公式為：

式中T往——聲壓透射率。

由公式

式中Δ1——底波與界面波的聲壓差，dB；

B——底波聲壓，Pa；

S——界面波聲壓，Pa。

理論底波比界面波高9.2dB。

2.2 理想條件下界面分層與界面結合良好聲壓差

在結合層分層時，設結合層為空氣，聲壓反射率約等于1，由此計算結合層分層時與結合良好時的聲壓差。

式中Δ2—— 理想條件下界面分層與界面結合良好聲壓差，dB；

P3——界面結合良好時反射波聲壓，Pa；

P4——界面分層時反射波聲壓，Pa。

此時無底波，利用這個特點，可以對軸瓦分層情況進行分析，當出現脫殼時，底波會降低，界面波會升高，且界面波在固定的檢測靈敏度下，會增加在超聲儀上出現的次數，因此可以通過定義界面波與底波波高差值、單獨對界面波或底波的變化量值或界面波出現的次數來對脫殼進行分析，并選擇相應的探傷靈敏度。

3 靈敏度調整

根據DL/T 297—2011使用底波和缺陷波兩種調節靈敏度[2]，底波是用降低10～12dB，缺陷波是用增加4～6dB方法，兩種都用最小靈敏度，即底波降低12dB，缺陷波升高6dB，作為缺陷判定依據，當出現小于探頭面積脫殼缺陷時，因為未出聲束擴散區，可以認為在垂直聲束平面內各點聲壓相等，脫殼區出現聲壓全反射，只有未脫殼區返回底波，見圖1，可以用到底波聲壓公式：

式中P5——界面結合良好時底波回波聲壓，Pa。

此時是檢出脫殼面積為探頭晶片面積的3/4的缺陷，而此時的界面波升高：

Δ3—— 檢出脫殼面積為探頭晶片面積314的缺陷時界面波升高量，dB。

可以看到兩種檢測靈敏度存在2.45dB差別。

圖1 小于探頭晶片面積的缺陷超聲波回波圖（Pa）Fig.1 Ultrasonic echo graph less than the area of the probe.（Pa）

按照標準，要求計入不小于晶片面積50%的缺陷，計算界面波升高：

式中Δ4—— 探頭晶片面積50%的缺陷與無缺陷時界面聲壓差，dB。

底波降低：

式中Δ5—— 探頭晶片面積50%的缺陷與無缺陷時底波聲壓差，dB；

綜上分析，在使用單晶直探頭檢測時，當使用底波調時，可以增益6.5dB，當底波降低到原波高時，判定為缺陷，使用界面波調時，可以衰減6dB，當界面波升高到原波高時，判定為缺陷，在實際工作中因為底波與界面波相差9.2dB，小于前兩者之和，因此可以直接引用JB/T 4272—1994中的相對波高法進行檢測[3]，當界面波與底波高度相同時，直接判為脫殼，這也是特種設備行業對于質量要求高的復合板可以利用底波與界面波高度差判斷復合情況的要求[4]。

4 探頭的選用及檢測

綜合JB/T 4272—1994及DL/T 297—2011對于目前抽水蓄能電站推力瓦規格，襯背厚度一般在50～160mm之間，巴氏合金厚度在3～5mm，考慮合金層厚度較小，高頻率可以減小頻帶寬度，增大分辨率，減小盲區，所以頻率要選擇5MHz以上的，考慮到近場區及鋼襯的厚度最終晶片尺寸確定為?10mm。在實際檢測中分辨率、底波效果較好。

現場檢測不能單單使用一種波檢測，對于圖2所示存在傾斜缺陷并不會出現界面波升高情況，但是底波會下降，只觀察界面波會造成漏檢。對于圖3所示情況，當缺陷成為異質薄層并滿足其阻抗為巴氏合金與鋼襯阻抗幾何平均值，厚度為1/4波長奇數倍時，聲波完全透過，出現底波不降低情況，只觀察底波會造成漏檢。為避免上述兩種情況，這也是采用界面波與底波共同判斷脫殼的原因之一。

圖2 傾斜缺陷示意圖Fig.2 Oblique defect sketch（annotation：Beam diverging，receiving no interface wave and bottom wave）

圖3 異質薄層缺陷示意圖Fig.3 Schematic diagram of heterogeneous thin layer defect（annotation：This defect causes the rise of interface waves）

5 雙晶探頭的使用

就目前出現的脫殼現象，都是結合面脫開，因此可以利用雙晶的高靈敏度對軸瓦進行檢測，通過觀察軸瓦完好處界面波與底波情況，利用完好結合面處的界面波高與階梯試塊完全脫開情況波形進行對比，出現介于兩者之間的波形需要用單晶探頭對該處進行復檢。

考慮到檢測效率和能夠滿足軸瓦耦合要求，雙晶探頭晶片面積選用為?14mm，為了能夠發現小的缺陷，頻率選用5MHZ的，主要是考慮擴散角較小，能力集中，分辨力好，巴氏合金層較薄，衰減較小，圖4是雙晶探頭檢測的原理圖，聲波發射晶片與接受晶片在工件內部形成abcd所示菱形聚焦區，也是檢測區，圖5為目前軸瓦檢測使用的型號為MSEB4的雙晶探頭AVG曲線，該探頭可在2.5mm深以外檢測，最大檢測深度超過軸瓦厚度，同樣可以對底波進行觀察。

圖4 雙晶探頭原理圖Fig.4 Double crystal probe principle diagram

圖5 MSEB4雙晶探頭AVG曲線Fig.5 Double crystal probe AVG curve

雙晶探頭在滿足單晶探頭的屬性功能后，相比單晶探頭，雙晶探頭因其發射靈敏度與接收靈敏度都比較高，且因其結構固有特性，能獲得較窄脈沖，提高分辨率，減少雜波。并且因為延遲塊的使用減小了在工件中的盲區，使其對于表面缺陷檢測十分有利。使用雙晶探頭的一個優點是抽水蓄能電站軸瓦鋼襯存在通油孔，無法準確判斷底波，采用雙晶探頭對表面區域的高靈敏度的特點，對軸瓦進行高靈敏度檢測。

綜上，在目前軸瓦檢測中，首選雙晶探頭。

6 邊界的確定

標準DL/T 297—2011采用6dB法對邊界進行判定，為了減少邊界結構對超聲波波高的影響，當出現完全脫開情況時，目前采用波形完全恢復正常時減小一半探頭寬度作為邊界的方法?？梢酝瑯舆_到6dB法的效果，因為機組都是在役檢測，應選用同一方法對其邊界確定，而這種方法能更好的對缺陷面積的變化進行追蹤，建立脫殼面積與時間的函數，觀察脫殼面積是否發生突變，這對于在役產品的使用具有更好的參考價值。

7 對比試塊及衰減

7.1 對比試塊

按照GB/T 1174—1992應選用與軸瓦相同材質的標準試樣[5]，但現場檢測由于其體積龐大，為了方便工作開展，因此選用采用相同材質的階梯式快，還可以通過階梯試塊調整探頭零偏，校準儀器。

圖6 階梯試塊（mm）Fig.6 Ladder block（mm）

7.2 聲壓衰減

在進行超聲波檢測時，當晶粒尺寸小于波長時，散射衰減系數與頻率的四次方成正比，但是在進行軸瓦脫殼檢測時，由于巴氏合金層厚度較小，僅3～5mm，又因為整片瓦幾乎是相同的巴氏合金層厚度，不需要計算因為衰減而在不同深度的反射波引起的波高變化值，因此本次檢測不考慮衰減問題。

8 結束語

在役產品檢測有其自身特點，由于機組檢修期給予金屬檢測時間有限，本文在保證檢測質量的同時要提高了檢測效率。對于出現的缺陷，除了參考軸瓦相關標準，從檢測角度，建議對缺陷面積進行跟蹤觀察，在保證機組安全運行的前提下，使機組的經濟效益更大化。