汽轮机叶根超声波探伤.pdf

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1、汽轮机叶根超声波探伤 宋绍河 (甘肃电力试验研究所,兰州 730050) 摘 要 介绍汽轮机叶根超声波探伤方法,包括所研制的叉形叶根检测用双晶纵波凸面探头 及T形叶根检测用大K值微型探头,并给出了应用实例。 主题词 超声检验 探头 汽轮机叶根 ULTRASONIC INSPECTI ON OF TURBINE BLADE ROOTS Song Shaohe (Gansu Electric Power Test and Research Institute, L anzhou) Abstract U ltrasonic inspection method for turbine blade ro

2、ots is described including the double2crystal longitudinal wave convex probe for forked blade roots and the m ini2probe w ith bigKvalue for T2shaped blade roots developed. Practical applications are given. Keywords U ltrasonic testing Probe Turbine blade root 我国5070年代投入运行的汽轮机已步入老 龄化阶段,叶片及叶根断裂频繁发生。然而

3、,汽轮机 叶根的探伤目前仍沿用70年代的方法,这些方法存 在许多缺点,影响检验的准确性。 1 常规探伤方法利弊分析 1. 1 骑缝铆孔叉形叶根的表面波探伤 采用表面波法对骑缝铆孔叉形叶根(简称叉形 叶根)进行探伤,具有调整简单、 探伤灵敏度高等特 点。 但老机组的叶根与叶根间,叶根与轮盘间多伴有 较厚的氧化皮或在铆孔附近打有标记钢印和划痕, 这在探伤时易造成回波与实际裂纹相混淆形成误 判。有些机组叶根的探伤面仅23mm(图1),探头 不能放置而无法探伤。 1. 2 叉形叶根的横波探伤 叉形叶根横波探伤原理见图2,它是利用二次 图1 图2 反射波打到铆孔上端面进行探伤。 众所周知,汽轮机 机型繁

4、多,每种机型又由若干级组成,每级叶根尺寸 各不相同,因此对每种机型必须逐一做出专用探头, 这就需要制作大量超声波探头才能适应探伤要求; 而且制造厂一般不提供叶根尺寸,只能靠测量获得, 如测得的尺寸与实际尺寸不相吻合,则对探头制作 又增加了难度。 1. 3 用横波法在台肩上探伤 这种方法的原理见图3,它是利用横波探头倾 斜置于台肩上进行探伤,实际探伤中发现此法对于 平直台肩的叶根是可行的。但具有平直台肩的叶根 极为少见,大多叶根具有凹弧面,弧面R为20 50mm ,这样横波探头与探测面不能很好耦合(图 4) 而给探伤带来困难,若将探头修磨成图3所示凸型 弧面,声波很难准确打在裂纹面上,再则经修磨

5、的探 003 第22卷第7期 2 0 0 0年7月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 7 July 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图3 图4 头多出现杂波反射,干扰裂纹的检出。 1. 4 微型纵波探头(烟斗状)检测T形叶根 对于T形叶根,以往采用微型纵波探头探伤 (图5),这对平直探测面的探伤是可行的,但大多数 叶根探伤面为凹型弧面,同样存在探测面与探头的 耦合问题。 图5 2 双晶纵波凸面探头的研制 针对上述叉

6、形叶根探伤存在的问题,我们研制 了一种双晶纵波凸面探头。 2. 1 双晶纵波凸面探头的特点 为避免平台肩上锈蚀和划痕的不良影响,我们 将探伤面选择在凹弧面上。 为适应多种机型、 多种规 格尺寸叶根探伤的要求,我们选择了双晶联合探头 (即一发一收 ), 这样既可以消除近场干扰引起的杂 波,有利于小尺寸叶根的探伤,又可将两晶片声束交 点控制在叶根铆孔附近,有利于缺陷的检出。 叶根开裂一般在出汽侧铆孔的中部,裂纹走向 与叶根端面相垂直,利用声束垂直入射到工件遇异 质界面具有最大的反射声压这一特点,我们选择了 纵波。 常规纵波探头为平面型而现场末级叉形叶根多 采用凹型弧面,显然采用上述探头无法进行探伤

7、,为 了使探头与探伤面耦合良好,我们将探头磨制成凸 面型,其R约为35mm。 此值是经多台机组现场测试 R为2050mm左右而选取的中间值。对于R 35mm的汽轮机叶根可在探伤时用砂布 将探头附在工件上稍加修磨加之采用粘度稍大的机 油作耦合剂,即可保证探头与工件的良好耦合。 2. 2 基本原理 2. 2. 1 声压反射理论 当声波垂直入射时(图6),假设耦合剂中声压 完全透射,根据垂直入射时的声压反射率公式 r= Pz Pi = Z2-Z1 Z2+Z1 式中 r声压反射率 r= 0. 9991100% Pz反射声压 Pi入射声压 Z1钢中声阻抗 Z1= 4510 6kg? m 2s Z2空气中

8、声阻抗 Z2= 0. 000 0410 6kg? m 2s 图6 1钢的密度 2空气的密度 声波在钢中垂直入射到钢? 空气界面(空气)时 会造成全反射。 2. 2. 2 利用双晶联合探头的原理 采用双晶联合探头是为了弥补普通探头探测近 表面缺陷的盲区大、 分辨力低的缺点而设计的。 由于 采用双晶联合探头,发射与接收压电晶片分开,消除 了压电晶片与延迟块之间的反射杂波,同时由于仪 器线路中始脉冲不能进入放大器,克服了阻塞现象 使探测盲区大大减小。通过改变两晶片的倾斜角度 可获得理想的交点距离,从而使工件常出现裂纹的 区域获得较大的反射声压(交点F处反射声压最 强 ), 双晶联合探头原理见图7。

9、2. 3 双晶纵波凸面探头的构造 双晶纵波凸面探头的构造见图8,其外形尺寸 为18mm15mm12mm ,两压电晶片尺寸为5mm 5mm , 2. 55P,两晶片焦距为355mm ,探测范 围为20110mm。用双晶纵波凸面探头探测到 20mm处的1mm线切割槽人工缺陷的波形见图 9, 探测到110mm处的2mm线切割槽波形见图10。 103 宋绍河:汽轮机叶根超声波探伤 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图7 图8 图9 图10 3 叶根试

10、块的研制 为了对探头性能进行测试,我们研制了YGS2 ? 和YGS2 型两种试块。 3. 1 YGS-? 型试块 YGS2? 型试块(图 11) 是为测试双晶纵波凸面 探头的横向和纵向声束直径,测绘距离波幅曲线,确 定声束交点,调整仪器扫描速度而设计的。 3. 2 YGS- 型试块 YGS2 型试块(图 12) 是为了调整探头的扫描 速度,测绘距离波幅曲线,调整探伤灵敏度而设计 的,其上有四个台阶三个模拟铆孔。 上铆孔距探伤面 尺寸为25mm ,模拟裂纹为深1mm的线切割槽;后 图11 图12 铆孔距探测面110mm ,槽中刻2mm线切割槽;中铆 孔距探测面50mm ,无线切割槽,这样可便于初

11、学者 掌握区别铆孔中有无裂纹的特征。 4 现场实际应用 我 们 曾 用 一 个 探 头 分 别 对25, 50, 100和 200MW四种机型12台机组进行了叉形叶根的探 伤,在西固电厂4号机第18级叶片上成功地发现了 第79号和109号叶根裂纹。 图13是79号断裂叶根 形貌。图14是109号断裂叶根形貌,裂纹已贯穿整 个叶根,这一发现避免了一次恶性事故的发生。 图13 图14 (下转第306页) 203 宋绍河:汽轮机叶根超声波探伤 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网

12、提供各类标准行业资料免费下载 图6 CF?SiC复合材料载荷2位移曲线与 声发射事件2位移曲线 是载荷的突然下降,在A E特征上表现为出现了两 个A E事件集中的时刻,这与该试样较高的孔隙率 和孔隙尺寸有关。 由于孔隙存在于束间,且沿纤维轴 向,孔隙周围易出现损伤,在一部分承载的纤维断裂 后,应力下降,而后由其上面一层纤维继续承载,因 此第一次的集中A E事件是由于第一层纤维断裂引 起的,之后出现的较少的A E事件则由试样的逐层 破坏引起,第二次集中出现A E事件时,基体出现断 裂,载荷大幅下降,之后材料进入失稳破坏阶段,由 靠近压头的一部分纤维承载,这些纤维与基体的结 合是不强的,因而载荷逐

13、渐下降,此阶段有少量的 A E事件出现。 3 结束语 作为一种检测技术,声发射研究的可靠性、 效率 和深度紧密依赖声发射仪器的水平,特别是对于复 合材料而言,由于其损伤破坏包含多种机制,A E信 号复杂,对仪器的灵敏度、 信号处理速度和稳定性都 提出了更高的要求。 随着计算机技术的迅速发展,声 发射仪已从传统的模拟式发展到全数字式,其精度、 速度都有提高,为复合材料的研究提供了方便。 声发射是研究复合材料的非常实用的手段,使 用简单方便,它可以在测试材料力学性能的同时获 得材料动态形变损伤过程中的宝贵信息。随着声发 射仪器技术水平的大幅度提高,新型全数字式声发 射仪可以更加全面、 深入地分析复

14、合材料的损伤破 坏过程,这对研究复合材料具有重要意义。 参考文献 1 袁振明等.声发射技术及其应用.北京:机械工业出版社, 1985. 2 M ummery PM , Derby B,Scruby CB.A cta M etall M ater, 1983, 41(5): 1431- 1445 3 Yasushi S,A kinori O.N ational A erospace L ab. Tokyo: 1988. 4 Farrow GJ, Hughes JD, Darby M I .J Phys D: Appl Phys, 1994, 27: 644- 651 5 金周庚. SiC?A l

15、复合材料声发射试验研究.科学技术报 告, 1989. 收稿日期: 1999205211 (上接第302页) 5 用短前沿大K值微型探头探测T形叶根 对于T形叶根,我们研制了一种短前沿大K值 探头,其尺寸为8mm12mm20mm ,用5P, 5mm 5mm压电晶片制成,K值为2. 83,探头楔块采 用聚枫树脂,探伤面改在叶片的背弧面,利用一次或 图15 图16 三次波来探测T形叶根的裂纹。探伤原理见图15, 图16是利用该探头在永昌电厂12 MW机组上探测 到的2mm人工孔锯槽的波形图。 收稿日期: 1998209203 603 杨盛良等:复合材料损伤过程的声发射研究方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载