汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊縫檢測系統(tǒng)在核電機(jī)組的應(yīng)用

谷昊

【摘 要】文章介紹了核電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接接頭自動(dòng)檢測系統(tǒng)的研發(fā)背景，掃查方案的選擇，檢測系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)說明，在現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用等。文章體現(xiàn)了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的獨(dú)創(chuàng)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)及檢測手段的先進(jìn)性等，展現(xiàn)了該系統(tǒng)廣闊的應(yīng)用前景以及在保證核電汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證核安全方面的重要作用。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊縫;檢測系統(tǒng);核電機(jī)組

中圖分類號(hào)： TG441.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0035-002

汽輪機(jī)是整個(gè)核電站常規(guī)島的核心組成部分，作為汽輪機(jī)中的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的安全性與可靠性至關(guān)重要。焊接轉(zhuǎn)子具有結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、加工方便、材料利用合理和轉(zhuǎn)子剛性好等諸多優(yōu)點(diǎn);但在優(yōu)點(diǎn)突出的背后也存在不足，例如對(duì)材料的焊接性能要求高、對(duì)焊接工藝及檢驗(yàn)檢測技術(shù)要求高、存在焊接接頭性能薄弱區(qū)等。由于薄弱區(qū)的存在，為保證轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行，定期檢查焊接接頭質(zhì)量和性能無疑是非常重要的。

為保證汽輪機(jī)的正常運(yùn)行，引入了汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子自動(dòng)化檢測系統(tǒng)，在機(jī)組大修停機(jī)期間對(duì)轉(zhuǎn)子焊縫進(jìn)行在役檢測，檢測方法包括目視、相控陣超聲及陣列渦流的自動(dòng)化檢測。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子焊縫全范圍的高精度檢測覆蓋，進(jìn)一步保障了核電的運(yùn)行安全。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及檢測系統(tǒng)

本次實(shí)施檢測的是高中壓轉(zhuǎn)子，共包含3條焊縫，如圖1所示：

其中黑色線條代表三條對(duì)接焊縫，分別位于轉(zhuǎn)子兩側(cè)及正中，由于葉片及輪盤間距較小，手動(dòng)檢測難度很大。

整套系統(tǒng)由檢測機(jī)器人、清潔機(jī)器人、各類檢測儀器以及輔助裝置構(gòu)成。檢測機(jī)器人吸附于轉(zhuǎn)子表面，定位探頭并執(zhí)行檢測工作，其中耦合裝置用于超聲檢測耦合劑的施加，機(jī)器人兩側(cè)配備相應(yīng)傳感器，保證探頭定位準(zhǔn)確。該設(shè)備可以根據(jù)檢測需求安裝多種探頭，如：常規(guī)超聲、常規(guī)渦流、超聲相控陣、TOFD、陣列渦流、視頻檢測及測量探頭等。

傳統(tǒng)的檢測方案使用機(jī)械臂模式，只能攜帶功能單一的常規(guī)超聲或相控陣探頭，且不具備焊接接頭表面的清理功能。焊接接頭表面清潔度直接關(guān)系到檢測方法可否可行或檢測信號(hào)的有效性。故檢測中我們先使用清潔機(jī)器人對(duì)焊縫的表面狀況進(jìn)行清理，使其滿足檢測需求。其小巧便攜，可以在檢測機(jī)器人進(jìn)行焊接接頭檢測時(shí)，在其他焊接接頭區(qū)域進(jìn)行清潔工作，互不影響

清潔機(jī)器人用于焊縫及熱影響區(qū)表面的清理工作，其結(jié)構(gòu)示意見圖2，車體下方永磁體保證機(jī)器人工作時(shí)可吸附在轉(zhuǎn)子表面，同時(shí)使用清潔滾刷對(duì)表面進(jìn)行清理，滿足檢測需要。

檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3，通過磁輪吸附于轉(zhuǎn)子的表面，并攜帶探頭進(jìn)行檢測，通過傳感器保證其軌跡不會(huì)偏移。檢測機(jī)器人內(nèi)置的耦合裝置使得耦合劑的施加簡單高效，檢測速度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同檢測階段安裝相應(yīng)探頭。與掃查臂相比，使用檢測機(jī)器人方案轉(zhuǎn)子現(xiàn)場發(fā)生竄動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，實(shí)施檢測的同時(shí)保證現(xiàn)場安全穩(wěn)定。并且探頭安裝后，在三個(gè)維度上均可以自由移動(dòng)，靈活控制檢測探頭位置，并保證結(jié)果可靠。

該設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)小巧、檢測高效、適合執(zhí)行多種方法檢測工作等特點(diǎn)。

2 現(xiàn)場檢測工作實(shí)施過程

現(xiàn)場檢測工作在某核電廠機(jī)組大修期間實(shí)施，實(shí)施檢測前先使用清潔機(jī)器人對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行初步清理，清理完成后可進(jìn)行表面目視宏觀檢查，并對(duì)疑似問題使用測量鏡頭確認(rèn)尺寸深度;視頻檢測探頭和陣列渦流探頭可同時(shí)安裝于檢測機(jī)器人探頭夾具處，在對(duì)表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測時(shí)，可以相互驗(yàn)證，提高效率。

如圖4所示，由于焊接轉(zhuǎn)子焊縫厚度較大，相控陣探頭并無法一次覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，需疊加多次檢測結(jié)果，故相控陣檢測將分區(qū)進(jìn)行。

3 檢測結(jié)果的分析及評(píng)判

由于采用自動(dòng)檢測手段，故檢測方法選用了陣列渦流及相控陣超聲，相比傳統(tǒng)檢測方法效率、靈敏度均有提高。

陣列渦流技術(shù)將多個(gè)渦流檢測線圈進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)封裝（如圖5），并借助計(jì)算機(jī)對(duì)激勵(lì)次序快速控制和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和零件快速、有效地檢測。

陣列渦流探頭能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電材料的大面積高速掃描。不同走向的裂紋對(duì)線圈問互感的影響是不同的，因此，在標(biāo)定試板上加工了不同方向的人工缺陷，可以看到圖6中不同類型方向的缺陷均可靈敏檢出。

相控陣超聲探頭是由許多獨(dú)立的晶片構(gòu)成的，每個(gè)晶片都能被單獨(dú)激發(fā)。這些探頭由特殊的裝置驅(qū)動(dòng)，能夠在每個(gè)通道獨(dú)立的、同步的發(fā)射和接收信號(hào)。超聲相控陣的一個(gè)重要特性就是可以通過軟件來改變超聲波束的特性。根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)置，每個(gè)晶片都能通過不同的時(shí)間延時(shí)來激活，并發(fā)射和接收超聲信號(hào)。圖7為相控陣超聲在檢測試塊上的信號(hào)圖。

4 結(jié)論

整套汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊縫檢測系統(tǒng)在進(jìn)行了幾次改進(jìn)升級(jí)之后，現(xiàn)有系統(tǒng)與初版相比，系統(tǒng)更加小巧輕便，檢測效率更高，現(xiàn)場實(shí)施更加可靠安全，在大修中進(jìn)行了完整檢測，從項(xiàng)目開工到主要工作結(jié)束，整套系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，檢測工作按時(shí)按量完成，取得了圓滿的成功。

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