汽輪發(fā)電機(jī)密封瓦燕尾槽的超聲相控陣檢測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)300MW或600MW等級(jí)氫冷汽輪發(fā)電機(jī)組的密封油系統(tǒng)多以雙流環(huán)式為主，其具有氫氣側(cè)與空氣側(cè)油路相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn)。雙流環(huán)式汽輪發(fā)電機(jī)密封瓦布置于發(fā)電機(jī)的兩端，靠流動(dòng)的高壓油來密封氫氣，起到防止氫氣泄漏?冷卻與潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子的作用，且其合金層形狀多為燕尾槽結(jié)構(gòu)(見下圖，黃色箭頭為高壓油的流動(dòng)方向)。圖1密封瓦合金層燕尾槽結(jié)構(gòu)示意然而，由于密封油系統(tǒng)的復(fù)雜性加大了運(yùn)行的難度，所以密封瓦磨損脫黏的事故頻發(fā)，我們?cè)撊绾螌?duì)密封瓦脫黏缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)呢？西安熱工研究院有限公司和西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司的檢測(cè)人員們嘗試采用超聲相控陣檢測(cè)方法，效果如何呢？我們來詳細(xì)了解一下。合金層脫黏缺陷成因分析密封瓦燕尾槽合金層產(chǎn)生脫黏缺陷的原因有：①制造過程中的機(jī)加工切削速度和切削量失控會(huì)使背襯材料存在內(nèi)應(yīng)力，澆鑄前并未去除局部應(yīng)力；②背襯材料表面存在毛刺、尖角、裂紋、縮松、夾渣等缺陷，嚴(yán)重影響了結(jié)合面的粗糙度；③背襯材料表面沾污及澆鑄溫度過低使合金層與基體黏合不良；④在運(yùn)行交變載荷及熱膨脹應(yīng)力的作用下，結(jié)合面處缺陷或局部結(jié)合不良部位的巴氏合金面積發(fā)生擴(kuò)展，并逐漸從襯背上脫落。發(fā)電機(jī)密封瓦燕尾槽重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域密封瓦基體為高錫青銅材料，外部由錫基巴氏合金層(ZSnSb8Cu4)包裹，合金厚度約為3mm。圖2密封瓦燕尾槽合金層結(jié)合面示意高壓油分別通過空氣側(cè)的豎直孔和氫氣側(cè)的斜孔進(jìn)入密封瓦中，并受壓力作用，在密封瓦合金層與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的縫隙形成油膜，密封作用最重要的區(qū)域位于合金層兩側(cè)，即圖2中B，C，F(xiàn)，D，E，H區(qū)域。因此，密封瓦燕尾槽在制造及運(yùn)行檢測(cè)過程中，合金層的脫黏缺陷是無損檢測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足針對(duì)合金層脫黏缺陷的檢測(cè)，通常采用直探頭和雙晶直探頭，但由于密封瓦燕尾槽的結(jié)構(gòu)特殊，雙晶直探頭不能在結(jié)合面聚焦，對(duì)于結(jié)合面C，D更是無法檢測(cè)。圖3密封瓦脫黏位置的直探頭超聲A掃描波形由圖3可以看出，脫黏缺陷回波較難分辨。這是由于當(dāng)合金層厚度范圍在1~5mm時(shí)，合金層界面處于盲區(qū)與近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，盲區(qū)內(nèi)缺陷無法識(shí)別，近場(chǎng)區(qū)內(nèi)缺陷回波易受近場(chǎng)和信噪比的干擾，缺陷極易漏檢。因此，目前對(duì)密封瓦合金層的常規(guī)無損檢測(cè)方法為表面滲透檢測(cè)，該檢測(cè)方法作為檢查結(jié)合面脫黏缺陷的補(bǔ)充手段，只可對(duì)合金層與瓦背結(jié)合線的表面開口型缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于更為嚴(yán)重的早期內(nèi)部脫黏缺陷卻無法檢測(cè)。超聲相控陣檢測(cè)密封瓦燕尾槽采用超聲相控陣檢測(cè)具有可檢面多、檢出率高的優(yōu)點(diǎn)。這是由于超聲相控陣的多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，通過設(shè)定相應(yīng)的聚焦法則，逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，使入射超聲波形成一個(gè)整體波陣面，有效地控制發(fā)射聲束(波陣面)的形狀和方向(見下圖)，實(shí)現(xiàn)超聲波波束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，提高缺陷的檢出率；并可以根據(jù)需要設(shè)置超聲波入射角度范圍，對(duì)常規(guī)超聲方法難以檢測(cè)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和受限區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。圖4超聲相控陣聲束聚焦原理示意密封瓦合金層檢測(cè)時(shí)可以利用超聲相控陣的聚焦功能，使用線陣探頭，對(duì)結(jié)合面C，D深度位置進(jìn)行聚焦，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的掃查檢測(cè)。超聲波聲束由巴氏合金層進(jìn)入銅基體，在合金層與銅基體界面(B，E結(jié)合面)發(fā)生透射與反射，一次反射回波被探頭接收形成一次界面波圖像；一次透射波穿過銅基體，并在銅基體與合金層的界面(C，D結(jié)合面)再次發(fā)生透射與反射，二次反射回波形成二次界面波圖像，二次透射波最終到達(dá)底面，形成底面回波圖像。圖5超聲相控陣探頭在C，D結(jié)合面的掃查示意（圖中左側(cè)為未脫黏區(qū)域，右側(cè)為二次界面脫黏區(qū)域）檢測(cè)工藝1檢測(cè)條件針對(duì)密封瓦燕尾槽合金層的特殊結(jié)構(gòu)，基于巴氏合金聲程衰減較小的特點(diǎn)，為了降低脈沖寬度，減小盲區(qū)的干擾，提高檢測(cè)靈敏度，應(yīng)盡可能采用頻率較高的探頭。另外，適當(dāng)提高儀器電壓也可起到提高檢測(cè)靈敏度的目的。超聲相控陣試驗(yàn)儀器配置參數(shù)如下：探頭型號(hào)10L32-0.31?10，發(fā)射電壓100V，檢波方式為全檢波，接收延遲2.5ns，掃描范圍-15°~15°。2檢測(cè)靈敏度使用ZW-I試塊校準(zhǔn)相控陣儀器的A掃描水平線性，并對(duì)合金層厚度為3mm的試塊進(jìn)行掃查，以脫黏位置能出現(xiàn)清晰的4次回波，并提高6dB作為掃查靈敏度。3對(duì)比試塊選用標(biāo)準(zhǔn)DL/T297-2011《汽輪發(fā)電機(jī)合金軸瓦超聲波檢測(cè)》中軸瓦ZW-I與密封瓦人工缺陷兩種對(duì)比試塊。(1)由于ZW-I對(duì)比試塊與被檢密封瓦的合金層材料相同，所以ZW-I可作為密封瓦一次界面脫黏缺陷的對(duì)比試塊。(2)在密封瓦本體上加工脫黏缺陷，試塊結(jié)構(gòu)示意如下圖所示，其中紅色區(qū)域?yàn)槿斯っ擆と毕荩讉?cè)位置用來模擬B，E，F(xiàn)，G，H面厚3mm的一次界面脫黏缺陷，乙側(cè)位置可以用來模擬C，D面厚12mm的二次界面脫黏缺陷。圖6密封瓦本體人工脫黏缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意波形分析圖7密封瓦試塊3mm厚合金層界面(B，E，F(xiàn)，G，H位置)S掃查結(jié)果對(duì)比脫黏與未脫黏的波形可知，脫黏層可通過聲束聚焦直接檢測(cè)，脫黏位置存在多次底波反射，回波顯示間距相等并呈指數(shù)衰減，在S掃描中呈現(xiàn)由黃色向藍(lán)色過渡的特點(diǎn)。圖8ZW-I試塊3mm厚合金層界面的S掃查結(jié)果通過對(duì)比圖7與圖8可以看出，其脫黏圖形幾乎與密封瓦3mm厚合金層的脫黏圖形一致。圖9密封瓦試塊C，D位置人工缺陷S掃查結(jié)果對(duì)比脫黏與未脫黏的圖形可知，未脫黏區(qū)域一次聲程范圍內(nèi)存在3個(gè)回波，分別為一次界面波、二次界面波和底面反射波；當(dāng)掃查至脫黏區(qū)域，底波反射逐漸減弱，一次聲程范圍內(nèi)回波位置與數(shù)量發(fā)生變化，脫黏時(shí)的二次界面回波受脫黏缺陷的影響，近乎底波反射，反射聲壓增強(qiáng)，在S掃描中呈現(xiàn)逐漸變亮、變紅的趨勢(shì)。結(jié)果驗(yàn)證選擇密封瓦模擬脫黏試塊，將相控陣探頭置于對(duì)比試塊脫黏層上方，如圖6(甲側(cè))所示。利用脫黏層一次與二次回波校準(zhǔn)儀器，從而得到復(fù)合層巴氏合金聲速為3846m/s。由于巴氏合金與銅基體是兩種不同的金屬材料，其聲速差異較大，將探頭置于密封瓦汽側(cè)，如圖6(丙側(cè))所示，在一次聲程范圍內(nèi)存在3個(gè)反射回波，如圖9(a)所示。由于聲速是物體的固有屬性，若由回波1處聲壓和回波2處聲壓求得的聲速c巴與c′巴(c′巴為實(shí)測(cè)巴氏合金聲束，c巴為計(jì)算的巴氏聲速)相等，則可以證明回波一為巴氏合金層與銅基體的一次界面回波，驗(yàn)證了波形分析的結(jié)果。當(dāng)儀器的垂直線性良好時(shí)，示波屏上的波高與聲壓成正比，即：HA/HB=PA/PB=1.23

(1)式中：HA為A界面示波屏上的反射波高；HB為B界面示波屏上的反射波高；PA為A界面的回波聲壓；PB為B界面的回波聲壓。復(fù)合層巴氏合金聲阻抗Z巴小于銅基體的聲阻抗Z銅，在一次界面處，超聲波由巴氏合金層向銅基體傳播，反射聲壓P0

rA

(rA為A界面的聲壓反射率)與入射聲壓P0同相位，界面A處反射波與入射波疊加，合成聲壓為P0+P0

rA，PA的表達(dá)式為：PA=P0

rA+P0=(2P0Z銅)/(Z銅+Z巴)

(2)

在二次界面處，超聲波由銅基體向巴氏合金層傳播，反射波聲壓P0

tA

rB與入射波聲壓P0

tA相位相反，反射波與入射波合成聲壓減小，合成聲壓PB的表達(dá)式為：PB=P0

rB

tA+P0

tA=(4P0Z銅Z巴)/(Z銅+Z巴)2

(3)式中：tA

為A界面的聲壓透射率；rB

為B界面的聲壓反射率。銅基體的聲阻抗Z銅與巴氏合金復(fù)合層聲阻抗Z巴分別為：Z銅=ρ銅c銅

(4)Z巴=ρ巴c巴

(5)式中：ρ銅為銅的密度；c銅為銅的聲速；ρ巴為巴氏合金的密度。已知ρ銅=8.9g/cm3，c銅=4700m/s，ρ巴=7.38g/cm3

，將式(4)與式(5)代入式(2)與式(3)，聯(lián)立式(1)，(2)，(3)，得到c巴=3882m/s?？紤]到超聲波傳播過程中的衰減與測(cè)量誤差，可認(rèn)為c巴與c′巴近似相等。另外，基于計(jì)算結(jié)果，一次界面和二次界面的聲壓往復(fù)透射率為：TA往=2Z銅/(Z銅+Z巴)=118.70%

(6)TB往=(4Z銅Z巴)/(Z銅+Z巴)2=96.50%

(7)由式(6)和式(7)可知，一次界面與二