汽轮机转子反T型叶根槽裂纹超声检测

李东江，王 鹏，蔡 晖，王志强

汽轮机转子反T型叶根槽裂纹超声检测

李东江，王 鹏，蔡 晖，王志强

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

反T型叶根槽是汽轮机转子的关键部件，在长期运行和频繁启停过程中，倒角R处易产生疲劳裂纹而引发事故，而该处裂纹的检测较为困难。本文采用超声脉冲反射法进行裂纹检测，首先分析了A型脉冲反射法超声检测的原理；然后采用某汽轮机转子反T型叶根槽实物为检测试块，在端壁倒角（F1区）、外包倒角（F2区）处线切割预制4种深度人工裂纹，采用横波、纵波、表面波3种波形进行裂纹检测试验；最后得出A型脉冲反射法超声横波可以有效检测反T型叶根槽倒角R处不小于0.2 mm的深裂纹，并对检测中应注意问题进行了说明。

汽轮机转子；反T型叶根槽；裂纹；脉冲反射法；超声检测

裂纹是高温、高压、高转速设备危害性极大的缺陷，会直接减弱部件承载能力。疲劳损伤裂纹导致设备开裂是导致汽轮机转子叶轮、叶根槽和叶片等重要部件的主要失效原因之一[1]。自20世纪70年代以来，我国已发生多起由于叶根槽裂纹开裂导致设备故障的重大安全事故[2-4]。汽轮机转子叶轮在长期运行和频繁启停过程中，其反T型叶根槽倒角R处易产生疲劳裂纹，进而引发断裂等恶性安全事故[5]。因此，汽轮机转子反T型叶根槽倒角R处裂纹的检测对于电厂安全稳定运行具有重要的工程价值。

在对汽轮机转子反T型叶根槽的定期检查过程中，为避免反复拆卸对转子各部件表面及其配合精度造成二次损伤，一般采用无损检测方法。事实证明，超声检测技术是无损检测领域中较成熟且应用广泛的检测技术，具有灵敏度高、周期短、成本低、对人体无害等优点[6]。超声检测是利用超声波在工件内部的传播特性进行工件损伤程度识别的无损检测方法[7]。超声波在穿透工件时会有能量的衰减，在遇到2种不同声阻抗介质交界面时会产生反射和折射现象。根据该检测原理，超声检测可分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法等[8]。根据汽轮机转子反T型叶根槽裂纹的检测要求，结合现场使用条件，本文选用A型脉冲反射法超声检测。

1 A型脉冲反射法超声检测

汽轮机转子反T型叶根槽倒角R处出现疲劳裂纹时，损伤断面出现基体和空气的异质界面。根据超声波反射原理，超声波在不同声阻抗的异质界面处会发生反射现象，尤其在固体与气体交界面处，因声阻抗差异极大，反射现象更加明显[9]。

Ａ型脉冲反射法超声检测一般采用单发单收的探头进行检测，其检测原理如图１所示。由图1可见：当工件中无缺陷时，超声波在工件中传播至底面才被反射回来，发射波Ｔ和底面反射回波Ｂ的波形信号在仪器屏幕上显示如图1a)所示；当工件中存在小于探头晶片尺寸的缺陷时，超声波部分声束被缺陷反射，形成一个缺陷信号，其余超声波继续传播至工件底面再被反射，显示信号在发射波Ｔ和底面反射回波Ｂ之间会有一个缺陷反射回波Ｆ；当缺陷大小达到一定程度时，所有的超声波都在缺陷处被反射，此时仪器屏幕显示只有发射波Ｔ和缺陷波Ｆ无底波B的信号。根据显示的缺陷回波位置坐标、波幅等指标，可判断存在缺陷部位、缺陷大小等信息，从而实现缺陷检测[10-13]。

图1 Ａ型脉冲反射法超声检测原理

Ａ型脉冲反射法超声检测的重要指标有检测灵敏度、缺陷分辨力、探头近场区等。检测灵敏度指仪器和探头组合后检测微小缺陷的能力，超声检测灵敏度为超声波波长的50%，即可发现的最小缺陷长度为波长的50%。缺陷分辨力指可以区分2个相邻缺陷的最小距离。近场区指探头晶片邻近区域，由于波的干涉，出现了声压不稳定区域，存在声压的极大值和极小值。

Ａ型脉冲反射法超声检测缺陷定位精度高、灵敏度高，能在保证检测灵敏度、缺陷分辨力的情况下减小探头的近场区，在检测过程中应根据实际情况选择最佳参数，得到高质量的检测结果。

2 反T型叶根槽超声检测试验

2.1 检测设备

数字化超声检测仪工作频率为0.5～15.0 MHz，声速范围为100～20 000 m/s，动态范围≥32 dB，分辨力＞40 dB。

探头选用横波5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）、5 MHz 5 mm×5 mm K0.8（39°）探头，纵波2.5 MHz 5 mm×5 mm 11°、12°、13°探头，表面波5 MHz 5 mm×5 mm 62°探头。

2.2 检测对象及检测面

以某汽轮机转子反T型叶根槽实物为检测对象，其检测部位如图2所示。根据转子的实际运行工况，结合受力分析[14]及现场开裂后的自然裂纹情况，将端壁倒角R处（F1区）、外包倒角R处（F2区）作为重点检测区域。利用线切割分别在F1和F2处制作人工裂纹，长度均为20 mm，深度分别为0.2、0.5、1.0、2.0 m，裂纹角度与水平面成45°夹角。根据现场实际检测条件，将反T型叶根槽试 件外表面的平面、斜面和侧面上部作为探头放置面。

图2 汽轮机转子反T型叶根槽检测部位

2.3 检测方法

2.3.1 F1处裂纹检测

因裂纹位置F1在检测工件内部，探头放置位置均在检测工件的外部，可采用横波和纵波2种方法进行检测。

1）位置检测 检测时将探头放置在处略作前后移动进行扫查，识别此处缺陷回波。采用横波法检测，探头折射角为45°，选用5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）探头。采用F1处45°夹角、1 mm深人工裂纹反射回波，满屏波高的80%为检测灵敏度。

2）位置检测 探头放置在位置检测F1处缺陷，采用纵波法检测，经计算探头入射角度为12°，选用纵波2.5 MHz 5 mm×5 mm 11°、12°、13°探头。以不同深度f1×6 mm通孔调整至满屏的80%，再增益10 dB作为检测灵敏度。

3）位置检测 探头放置在位置检测F1处缺陷，采用横波法检测，经计算探头折射角度为39°，选用5 MHz 5 mm×5 mm K0.8（39°）探头。以不同深度1×6 mm通孔调整至满屏80%，然后增益10 dB为检测灵敏度。

2.3.2F2处裂纹检测

裂纹位置F2和探头放置位置均在检测对象的外部，可采用表面波和横波2种方法进行检测。

1）表面波检测 采用5 MHz 5 mm×5 mm 62°表面波探头检测F2处裂纹，探头可放置在检测面3处，以无缺陷位置回波增益至满屏的80%作为检测灵敏度，根据F2处的回波波幅和回波位置综合判断是否存在缺陷。检测时表面波探头正对F2位置左右移动，对不同深度人工裂纹进行扫查。

2）横波检测 采用横波检测F2处裂纹时，探头放置在位置，经计算探头折射角度为45°，选用5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）横波探头，根据回波位置进行缺陷判断。以不同深度1×6 mm通孔调整至满屏的80%，再增益10 dB为检测灵敏度。

3 试验结果分析

3.1 F1处裂纹检测结果

3.1.1位置检测结果

在位置采用横波探头对端壁倒角F1部位裂纹进行检测，检测结果见表1，回波波形如图3所示。

表1 F1处裂纹位置检测结果

Tab.1 The detection results of cracks at F1-A

图3 0.5 mm深裂纹A位置检测回波波形界面

由表1和图3可见，4种深度分别为0.2、0.5、1.0、2.0 mm的人工裂纹回波波幅随缺陷深度增加而增大，可清晰识别0.2 mm深裂纹和0.5 mm深的裂纹，回波十分明显。

3.1.2位置检测结果

在位置采用纵波探头对端壁倒角F1部位裂纹进行检测，检测结果见表2。由表2可见，4种深度分别为0.2、0.5、1.0、2.0 mm的裂纹和无缺陷时波形图均无法识别缺陷，显示回波。

表2 F1处裂纹位置检测结果

Tab.2 The detection results of crack at F1-B

3.1.3位置检测结果

在位置采用横波探头对端壁倒角F1部位进行检测，检测结果见表3，回波波形如图4所示。由表3和图4可见：4种深度分别为0.2、0.5、1.0、2.0 mm人工裂纹和无缺陷时波形图进行比较，当裂纹深度≤1.0 mm时，无法识别缺陷显示回波；当裂纹深度为2.0 mm时，缺陷回波有双峰显示，可作为缺陷识别的参考。

3.2 F2处裂纹检测

3.2.1 表面波检测

F2处裂纹位置表面波检测结果见表4，表面波检测回波波形如图5所示。

表3 F1处裂纹位置检测结果

Tab.3 The detection results of crack at F1-C

图4 2.0 mm深裂纹C位置检测回波波形界面

Fig.4 The detection echo waveform interface of crack with depth of 2.0 mm at

表4 F2处裂纹位置表面波检测结果

Tab.4 The detection results of crack at F2-A

由表4和图5可见：裂纹深度为≥0.5 mm时可有效检出，缺陷特征明显；不同深度的裂纹与无缺陷时回波波幅、回波位置均出现明显差异；裂纹的回波波幅一般高于无缺陷时的固有波幅高度，且裂纹越深，回波波幅越高，深度达到一定程度时，回波波幅基本不再增加；裂纹的回波位置比无缺陷时的固有波回波位置远，且裂纹越深，回波位置越远。

3.2.2横波检测

F2处裂纹位置横波检测结果见表5，0.5 mm深裂纹位置检测回波波形如图6所示。

表5 F2处裂纹位置横波检测结果

Tab.5 The detection results of transverse wave at F2-C

图 60.5 mm深裂纹C位置检测回波波形界面

由表5和图6可见，裂纹缺陷深度为0.5 mm时可有效检出，裂纹缺陷回波特征明显。

4 结 论

本文利用超声脉冲反射法原理，分别采用横波、纵波和表面波3种方法对汽轮机转子反T型叶根槽端壁倒角裂纹F1、外包倒角裂纹F2位置进行探测，得到以下结论。

1）针对端壁倒角裂纹F1，有效的检测方法为检测面位置，采用横波5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°）探头，对不小于0.2 mm深的裂纹缺陷可明确检出，裂纹缺陷回波明显清晰。在实际应用中，端壁上倒角裂纹F1深度≥0.2 mm时，此检测方法可准确判断。

2）针对外包倒角裂纹F2，在检测面的位置采用表面波探头5 MHz 5 mm×5 mm 62°或在位置采用横波探头5 MHz 5 mm×5 mm K1.0（45°），对不小于0.5 mm深的裂纹可明确检出，裂纹缺陷回波明显清晰。在实际应用中，外包倒角裂纹F2深度≥0.5 mm时，此检测方法可准确判断。

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Ultrasonic detection of cracks of anti T-root grooves in turbine rotor

LI Dongjiang, WANG Peng, CAI Hui, WANG Zhiqiang

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Anti T-root groove, as a key component of steam turbine rotor, easily generates fatigue cracks at R-chamfer during long-term operation and frequent start-up and shutdown, which usually causes accidents. However, the cracks at this position is difficult to be detected. To solve this problem, an ultrasonic pulse reflection method is adopted to detect the cracks at R-chamfer of the anti T-root groove. First of all, the principle of the ultrasonic testing with A-mode pulse reflection method is introduced. Then, by taking the anti T-root groove of rotor of a steam turbine as the test specimen, artificial simulated cracks with four depths are prefabricated by wire cutting method in end-wall chamfer (F1 area) and outsourcing chamfer (F2 area). Finally, the three waveforms, including the transverse wave, longitudinal wave and surface wave, are used to detect the cracks. The results show that, the transverse wave of A-type pulse can effectively detect the deep crack with depth larger than 0.2 mm in the root groove of anti-T type at R-chamfer. Additionally, the problems that should be noted during the detection are also presented.

steam turbine rotor, anti T-root groove, crack, pulse reflection method, ultrasonic detection

Development Fund for Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (TN-17-TYK07)

TG115

B

10.19666/j.rlfd.201904085

李东江, 王鹏, 蔡晖, 等. 汽轮机转子反T型叶根槽裂纹超声检测[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 138-142. LI Dongjiang, WANG Peng, CAI Hui, et al. Ultrasonic detection of cracks of anti T-root grooves in turbine rotor[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 138-142.

2019-04-15

西安热工研究院有限公司发展基金项目(TN-17-TYK07)

李东江(1985)，男，工程师，主要研究方向为火力发电厂金属部件的无损检测和金属监督检验，lidongjiang@tpri.com.cn。

（责任编辑 杜亚勤）