發電機風扇葉片的柔性陣列渦流檢測

楊洪斌，仝茂峰，吳曉龍，余 超，劉 洋，劉建屏，尹建鋒

(1.北京京橋熱電有限責任公司，北京 100067;2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

圖1 某百萬機組斷裂的風扇葉片

火電機組發電機風扇葉片是發電機重要組成部件,裝配在發電機轉子兩端，隨發電機轉子高速旋轉,從而在發電機轉子兩端產生壓差,起到輸送發電機冷卻氣體的作用。風扇葉片一般為鋁合金鑄造修整而成。在運行過程中,葉片隨發電機轉子以3 000 r·min-1的速度旋轉,易在運行中產生裂紋等危害性缺陷,這些缺陷易引起葉片斷裂甚至造成機組故障，圖1為某電廠百萬機組發電機的斷裂葉片實物。在機組檢修中對葉片表面的檢測, 特別是葉片根部裂紋的檢測, 一般采用滲透檢測的方法對表面及變截面部分實施檢測，但是滲透檢測只能檢測表面開口缺陷，而且存在工作量大、易污染環境、清理不徹底、易殘留滲透劑等問題，而渦流檢測可以克服上述問題。但傳統的渦流檢測技術檢測效率較低，對不同方向的線性缺陷的靈敏度不一致，對于具有復雜結構或者帶曲率的工件不能很好地進行電磁耦合。

陣列渦流技術是一種渦流檢測新技術，其通過渦流檢測線圈結構的特殊設計，并借助于數字化渦流儀的分析、計算及處理功能，來實現對材料和零件的快速、有效檢測。相比傳統單通道渦流技術，渦流陣列技術具有以下優點：① 檢測線圈尺寸較大，掃查覆蓋區域大，檢測效率一般是常規渦流檢測方法的10～100倍；② 提供檢測區域的實時圖像，便于數據的判讀；③ 根據被測零件的尺寸和型面進行探頭外觀設計，可直接與被測零件形成良好的電磁耦合[1-4]。

筆者采用陣列渦流技術對發電機風扇葉片進行表面和近表面缺陷檢測。在實際的渦流檢測中，提離、電導率、磁導率、頻率、缺陷以及工件厚度等參數的變化均會對放置式線圈的阻抗產生影響。文章以奧林巴斯陣列渦流檢測儀為例，分析了檢測頻率、提離效應、掃查方向對發電機風扇葉片陣列渦流檢測信號的影響，并對風扇葉片的現場陣列渦流檢測提出建議。

1 柔性陣列渦流檢測技術原理

渦流陣列由3部分組成：驅動單元、探頭、多路復用器。陣列渦流檢測探頭由多個獨立工作的線圈構成，這些探頭線圈按特定的結構型式密布在平面或曲面上構成陣列，且激勵線圈與檢測線圈之間形成兩種方向相互垂直的電磁場傳遞方式。工作時不需使用機械式探頭掃描，只需按照設定的邏輯程序,對陣列單元進行實時/分時切換，并將各單元獲取的渦流響應信號通過多路復用器接入儀器的信號處理系統中，即可完成一個陣列的巡回檢測，通過多路復用技術可以有效避免不同線圈間的互感[1]。 陣列式渦流檢測探頭的一次檢測過程相當于傳統的單個渦流檢測探頭對部件受檢面的步進掃描過程，并且能夠達到與單個傳感器相同的測量精度和分辨率。

由于風扇葉片帶有曲率，在檢測時為了保證貼合良好，采用柔性電路板制作矩形渦流陣列傳感器，這種傳感器柔韌性較好，適用于多種曲面的檢測[5]。

2 試驗與分析

2.1 試驗設備及試塊

儀器選用奧林巴斯多通道陣列渦流檢測儀，型號為Olympus OmniScan ECA;采用柔性陣列探頭，型號為Olympus FBB-051-500-032，探頭參數為32個探頭陣列，中心頻率為500 kHz；單線圈直徑為3 mm，探頭能檢測到的最小缺陷尺寸為線圈直徑的一半(1.5 mm)。

檢測頻率影響試驗和提離效應影響試驗所用試塊1為2A50鋁合金試塊，其材料與風扇葉片材料相同。試塊尺寸(長×寬×厚)為150 mm×100 mm×20 mm，表面有3個φ2 mm通孔。掃查方向影響試驗所用試塊2為線切割槽試塊，材料為2A50鋁合金，尺寸(長×寬×厚)為100 mm×40 mm×10 mm，線切割槽長40 mm，寬0.3 mm，3條槽深分別為0.2,0.5,1.0 mm。試塊1和試塊2的結構示意如圖2，3所示。對試塊1和2的表面進行清理至表面潔凈光滑且呈現金屬光澤。

圖2 檢測試塊1結構示意

圖3 檢測試塊2結構示意

2.2 試驗設計與分析

文章設計了3個試驗，分別研究檢測頻率、提離高度和掃查方向這3個變量對風扇葉片陣列渦流檢測的影響。

2.2.1 檢測頻率影響試驗與分析

該陣列渦流檢測儀的檢測頻率為80 kHz～3 150 kHz，將檢測頻率分別設置為80,100,150,200,250,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000 kHz，總增益為58 dB，垂直增益為0，將提離信號調到水平，測量上述頻率下試塊上φ2 mm通孔的渦流信號。

當檢測頻率為300 kHz時，陣列渦流檢測結果如圖4所示。從阻抗圖中可知信號幅值為1.841 V，相位角為207.8°。

圖4 頻率為300 kHz時φ2 mm通孔的陣列渦流檢測結果

圖5 檢測頻率與φ2 mm通孔信號幅值的關系

統計不同檢測頻率時的信號幅值與相位,結果如表1所示。

由表1繪制檢測頻率與信號幅值的關系曲線，如圖5所示，可見頻率在80 kHz～3 125 kHz時，信號幅值隨頻率的增加而增加。

將表1中檢測頻率為100 kHz～3 125 kHz的信號相位與檢測頻率的關系繪制成圖，結果如圖6所示，可知φ2 mm通孔信號相位呈周期性變化，且檢測頻率每增加100 kHz，相位增加約60°。

表1 不同檢測頻率時φ2 mm通孔缺陷的

圖6 檢測頻率與φ2 mm孔信號相位關系

已有研究表明[6]：對于非磁性材料來說，實際渦流檢測中，檢測頻率與特征頻率比f/fg為5～150時具有實用意義(其中f為檢測頻率，fg為特征頻率)。在放置式線圈的阻抗分析中，一般選取10

PC=r2ωμrσ

(1)

式中：r為線圈的平均直徑；ω為角頻率；μr為工件材料的相對磁導率；σ為工件材料的電導率。

為了得到更高的精度，工作點需選擇在阻抗曲線的拐點部分，因為在這里阻抗曲線和提離效應有較大的相角，易于鑒別。要使工作點在阻抗圖的拐點部分，應選擇適當的探頭直徑和工作頻率，使得PC≈10[6]，式(1)可以改寫為

(2)

式中:r為線圈的平均半徑，m;f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m。

因為

(3)

則可得

(4)

風扇葉片材料為2A50鋁合金，采用鍛造工藝制作而成，塑性加工會對2A50鋁合金的電阻率產生影響。欒兆菊等[7]研究了等徑角擠壓后2A50鋁合金的微觀組織和電導率變化，發現經過3次擠壓后，2A50鋁合金的電導率σ由初始的18 784.63 S·m-1迅速下降到3 553.27 S·m-1。文中2A50鋁合金的電導率σ取3 553.27～18 784.63 S·m-1。該陣列渦流儀檢測線圈平均半徑r=1.5×10-3m。將PC≈10,σ=3 553.27～18 784.63 S·m-1,r=1.5×10-3m代入式(4)中，可得f≈300 kHz～1 580 kHz，即根據特征參數計算得到的合適檢測頻率為300 kHz～1 580 kHz。從圖5中可看出,檢測頻率在300 kHz～1 400 kHz時曲線的線性最好，與計算值基本吻合，因此根據現場實際測得的電導率，選擇300 kHz～1 400 kHz作為2A50鋁合金材料風扇葉片的檢測頻率。

2.2.2 提離效應影響試驗及分析

渦流探頭有一個基于探頭設計本身的初始阻抗(空線圈阻抗)，這是渦流探頭的一個固有特性。當探頭靠近被檢對象時，在線圈接觸材料表面的那一時刻，阻抗的實部和虛部會發生變化，這就是“零提離阻抗”。探頭在這兩點間移動時所描繪的阻抗曲線即提離曲線，其對渦流檢測有重要意義。杜金強等[8]研究了提離距離對渦流陣列傳感器輸出特性的影響。

盡管使用柔性探頭對風扇葉片進行檢測，但由于風扇葉片表面曲率是一直變化的，在實際檢測中依然會有貼合不太好的地方，故還是要考慮提離高度對陣列渦流檢測信號的影響。

檢測頻率選擇500.5 kHz，總增益為65 dB，垂直增益為0，將提離信號調到水平，通過調整探頭和試塊之間的提離高度，測量試塊上的φ2 mm孔信號，提離高度為0～1.0 mm，其間步進為0.1 mm。

當提離高度為0時，陣列渦流檢測結果如圖7所示，從阻抗圖中可知信號幅值為6.463 V，相位為329°。

圖7 提離高度為0時φ2 mm通孔的陣列渦流檢測結果

統計不同提離高度的檢測信號幅值與相位，結果如表2所示。

表2 不同提離高度時φ2 mm孔的檢測信號

將表2中數據繪制成圖，得到的檢測信號幅值、相位與提離角度的關系曲線如圖8，9所示，可見隨著頻率的增加，信號的相位基本不變，信號幅值遞減。

圖8 φ2 mm孔信號幅值與提離高度的關系曲線

圖9 φ2 mm孔信號相位與提離高度的關系曲線

從試驗結果可以看出,提離高度只是對檢測信號幅值有影響，可以根據提離高度進行增益補償。為了研究不同提離高度的增益補償值，對不同提離高度的信號進行增益補償,直到其信號幅值和提離高度為0 mm時的信號幅值相同，由于一般提離高度不大于0.4 mm，故對0～0.5 mm提離高度的增益補償進行統計，結果如表3所示。

表3 不同提離高度時的信號增益補償

在實際檢測中，提離高度一般小于0.4 mm，可根據實際提離情況選擇3～9 dB的增益補償進行檢測。

2.2.3 掃查方向影響試驗及分析

檢測頻率選擇500.5 kHz，總增益為65 dB，垂直增益為0，將提離信號調到水平，在線切割槽試塊上進行試驗，探頭掃查方向與槽的夾角分別為0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°。

圖10 掃查方向與線切割槽的夾角為15°時的陣列渦流檢測結果

當夾角為15°時，陣列渦流檢測結果如圖10所示，從阻抗圖中可知信號幅值為9.188 V，相位為312.4°。

統計不同掃查方向的缺陷信號幅值與相位，結果如表4所示。

表4 不同掃查方向時線切割槽的檢測信號

將表4中檢測信號幅值、相位與掃查方向的關系繪制成圖，結果如圖11,12所示，可知不同掃查方向所得到的信號幅值和相位基本一致。由于絕對電橋探頭雙排陣列在整個寬度上能保持穩定統一的靈敏度，可探測任何角度的缺陷，因此在實際檢測過程中，只需要沿著葉片方向和垂直葉片兩個方向進行掃查就不會漏檢。

圖11 不同掃查方向時的線切割槽信號幅值

圖12 不同掃查方向時的線切割槽信號相位

2.2.4 小結

(1) 隨著檢測頻率的增大，缺陷信號幅值會增大，相位呈周期性變化，火電機組發電機風扇葉片有效檢測頻率為300 kHz～1 400 kHz。

(2) 提離效應會使缺陷信號幅值下降，相位不變，實際檢測中根據現場情況可增加3～9 dB的增益進行補償。

(3) 掃查方向對缺陷信號強度基本沒影響，當掃查方向與裂紋方向平行時，檢測信號略微下降。在發電機風扇葉片陣列渦流檢測過程中，沿著葉片方向和垂直葉片兩個方向進行掃查即可保證對各個方向的缺陷不漏檢。

3 結論

基于以上試驗結果的分析，對發電機風扇葉片陣列渦流現場檢測應用提出以下建議。

(1) 儀器選擇：儀器應至少具有時基掃描、阻抗矢量平面圖、二維C掃描平面圖等3種渦流檢測型號的顯示方式，相位應連續可調，不同檢測信號通道之間要保持一致性。

(2) 探頭選擇：采用柔性陣列探頭，如圖13所示。探頭應至少為8個通道陣列。

圖13 陣列渦流檢測探頭和掃查裝置

(3) 頻率選擇：由于鍛造成型的風扇葉片的電導率為3 553.27～18 784.63 S·m-1，根據特征參數計算和試驗得到合適的檢測頻率為300 kHz～1 400 kHz，因此應根據現場實測電導率值選擇檢測頻率。

(4) 渦流檢測輔助裝置：探頭配有帶編碼器的手動掃查裝置，如圖13所示。

(5) 靈敏度校準：用試塊2作為2A50材料渦流檢測對比試塊進行靈敏度校準，調整靈敏度，使通過依次加深的刻槽得到的信號也不斷加深。1 mm深刻槽產生的信號幅度應該達到儀器阻抗圖界面的80%,其后調整靈敏度對工件幾何形狀進行補償。至少在開始檢測和結束檢測時應對儀器進行靈敏度校準，在工作條件發生變化后，也應進行靈敏度校準。

(6) 掃查：風扇葉片表面質量的外觀檢查應為合格。為確保檢測時能掃查到工件的整個被檢區域，探頭的每次掃查覆蓋應大于探頭寬度的15%，探頭的掃查速度不應超過30 mm·s-1。檢測過程中，沿著葉片方向和垂直葉片兩個方向進行掃查即可保證對各個方向的缺陷不漏檢。