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电厂汽轮机金属部件在役检查技术

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：赵建立

[导读] 摘要：汽轮机的检测一般主要涉及到汽轮机叶轮键槽、转子焊缝、叶片叶身、叶片叶根、中心孔、轴瓦复合层、转子护环、叶轮槽、围带连接片、汽门弹簧、螺栓等部位的检测。

        （哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨 150046）
        摘要：汽轮机的检测一般主要涉及到汽轮机叶轮键槽、转子焊缝、叶片叶身、叶片叶根、中心孔、轴瓦复合层、转子护环、叶轮槽、围带连接片、汽门弹簧、螺栓等部位的检测。现阶段在电厂机组停机检修时，以上区域的检测一般采用常规无损检测技术。随着技术的发展，相控阵超声、阵列涡流和TOFD技术也越来越多应用到汽轮机的检测中。基于此，本文主要对电厂汽轮机金属部件在役检查技术进行分析探讨。
        关键词：电厂汽轮机；金属部件；在役检查技术
        前言
        相控阵超声、衍射时差法超声（TOFD）、阵列涡流等无损检测新技术在缺陷检出率、检测精度、可靠性、检测效率、环境保护等相比常规检测方法有很大的优势，以上技术若能够在汽机检测中推广应用，将能及时发现汽轮机金属部件中的缺陷，避免停机以外时间的发生。
        1、红套转子叶轮的检测
        汽轮机在运行过程中收到切应力和径向应力的作用，应力最大的区域在轴向键槽的R角区域，如果R角区域的光洁度差或者过盈量大，则该处的应力大大增加，容易产生应力腐蚀裂纹。上个世纪70-80年代，叶轮的应力腐蚀裂纹已经成为不少电厂运行安全的主要问题。红套转子的应力腐蚀裂纹一般采用常规超声的检测手段，利用一个直探头和一个小角度斜探头完成检测工作。相控阵超声技术和TOFD检测技术因为在检测速度和缺陷检出率方面有很大的优势，因此也开始用于红套叶轮的检测中。采用相控阵超声检测方法时，一般采用双线阵的相控阵探头。红套叶轮的检测也分为三种检测方法，一种是手动扫查加手动记录的纯手动检测方案；一种是手动扫查但是利用编码器记录位置信息的半自动检测方案，还有一种就是采用定制自动检测设备的全自动检测方案。和焊接转子的检测类似，红套转子叶轮的检测也可以采用机械臂或者车式检测机器人的方法。红套转子检测用机械臂和转子焊接接头的相比更加灵活，整套系统由伸缩臂、摇摆关节和移动轨道等部件组成。伸缩臂采用碳纤维材料制作，用来将探头放置在特定位置，摇摆关节用来调整伸缩臂的俯仰角度，移动轨道平行于转子放置用于检测过程中设备的快速移动。
        2、焊接转子的检测
        焊接转子一般分为低压转子和高中压转子两种，低压转子一般有9道焊接接头，各个焊接接头按对称的排布分布。高中压转子一般有3道焊接接头，集中在中压转子的部分。焊接接头的深度一般在90mm以上，焊缝之间的叶轮间距较小，汽轮机在制造阶段一般采用常规超声加磁粉检测的方法，但是在机组运行后，由于汽轮机叶片已经安装好，现场作业区域非常狭小，因此继续采用制造阶段的检测方法基本不可行。现场检测一般有两种检测方法，利用辅助工具进行手动检测或者研发专用检测机器人进行自动检测。检测机器人分为两种，一种是机械臂的形式，一种是车式检测机器人的形式。机械臂的方式是国外广泛使用的方法，这种方法比较成熟，但是设备比较庞大，检测受现场条件的制约较大，若现场空间过于狭小则检测无法实施。另外在检测过程中，由于转子需要一直转动，因此在使用机械臂设备时，将影响其他人员在转子上的作业。检测机器人的方式可以将探头安装在机器人上，机器人自行在转子上爬行完成检测工作。和机械臂相比，这类检测工具携带方便，可以同时携带多个探头完成检测工作。在检测的过程中也不会影响其他人员检测工作的开展。
        3、汽轮机动叶片的检测
        叶片分为多种结构，像枞树型、叉型、T型、菌型等。不同的类型检测的区域各不相同。叶身的检测一般采用表面波探头做分段检测，含有司太立合金焊缝的末级叶片，一般采用常规横波探头检测，也可以采用阵列涡流的检测方法。常规涡流也可以用于叶片的检测。叶身的检测一般采用笔式探头、叶片进出气边缘的检测一般采用边缘探头、叶身孔洞的检测一般采用内孔探头。叶根的原位检测一般采用超声检测的方法，以前主要采用常规超声检测的方式，现在相控阵超声技术也越来越多地应用到叶根的原位检测中。
        叉型叶根的缺陷一般发生在靠近叶身侧铆孔旁的最小截面处，检测一般采用常规超声的检测方法，按照叶片具体尺寸的不同，选用不同的探头。

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当叶根外露尺寸大于探头前沿，且肩台高度小于等于0.5mm时，采用横波或表面多的检测方法。当叶根外露尺寸小于探头前沿，且肩台高度小于等于0.5mm时，采用表面波、横波或者双晶纵波的检测方法。当叶根外露尺寸大于探头前沿且肩台高度大于0.5mm时，采用横波二次波的检测方法。叉型叶根现在也可以采用定制相控阵探头来检测。利用纵波相控阵立式探头和横波相控阵卧式探头，分别放置在肩台、叶身内外弧检测。采用相控阵扇形扫查的方法声束覆盖的范围更广，检测结果更直观可辨。
        T型叶根的检测一般采用横波或纵波的检测方法，利用定制的横波斜探头在叶身底部内弧面上扫查，检测T型夹角区域的缺陷，利用纵波直探头放在叶片肩台上检测T型夹角区域的缺陷。
        4、转子中心孔的相控阵检测
        整锻转子的中心孔是应力腐蚀裂纹的高发区域。中心孔的检测一般采用内窥镜、常规涡流和常规超声的检测方法。内窥镜采用视频的方式检测中心孔表面的缺陷，涡流检测中心孔表面和近表面的缺陷，中心孔常规超声的方法采用接触式双晶纵波探头及周向横波探头的检测方式，由于常规超声的检测角度是单一的，需要采用多个探头并采用不同的扫查方式来完成被检区域的完整覆盖。相控阵超声检测的方法可以同时采用多角度的扇形扫查来进行检测，在声束覆盖上要高于常规超声的方式，因此检测速度有了很大的提升。中心孔的相控阵超声检测一般采用一发一收型式的TSIS检测头，利用分析软件中的极坐标视图来分析检测数据。
        5、轴瓦复合层检测
        轴瓦复合层的检测一般采用常规超声脉冲反射法进行检测。检测用探头根据合金层的厚度选择单晶探头或者双晶探头，探头的型式、频率、晶片尺寸和聚焦深度由轴瓦合金层的厚度和曲率确定。轴瓦复合层的检测拥有专门的校准试块和参考试块。检测时从合金层表面区域对复合层区域进行100%扫查。
        6、发电机转子护环的检测
        发电机护环的检测一般采用常规超声的检测方法，探头的参数根据护环的晶粒度和护环的厚度决定，探头一般采用横波探头或者双晶纵波探头。检测时对整个护环进行周向和轴向的检测，重点检测区域为紧力面和R角部位。该项检测工作的难点在于各类非缺陷信号的识别，例如压痕、电烧伤、轴齿透入波、螺孔投入波、凹槽结构波等。
        7、叶轮槽的检测
        叶轮槽一般在叶片拆卸以后采用荧光磁粉的方式来进行检测。随着检测技术的方法，也可以根据叶轮槽的具体尺寸，定制阵列涡流探头来完成检测工作。和传统的荧光磁粉检测方法相比，阵列涡流检测方法无需搭设暗室，检测速度快，检测结果也更加直观。
        8、主汽门、调节汽门弹簧检测
        汽轮机高、低压缸主汽门、调节汽门弹簧的检测一般采用常规超声的检测方法，一般采用小尺寸横波斜探头沿弹簧径向检测，检测采用一次波，在条件允许的情况下要从弹簧内外圈分别实施检测。
        9、螺栓的检测
        每次电厂大修时都有大量的螺栓需要进行检测，螺栓的检测一般采用荧光磁粉和常规超声的检测方式。在做荧光磁粉时，可以使用特制的辅助工具移动螺栓，减轻检测人员的搬运强度。螺栓的检测原来也一般采用常规超声的检测方式。由于手动常规超声检测一般只有A扫描显示，螺栓检测时的反射波信号来自螺栓本体、螺纹、缺陷以及波型转换等，因此缺陷识别起来不直观，容易发生误判漏检，根据螺栓尺寸定制相控阵探头，通过定制夹具将探头固定，检测时采用一定角度的纵波扇扫，整个扫查面的数据都能被直观地显示和记录下来。上述区域一般采用渗透检测的方法检测表面和近表面的缺陷。
        参考文献：
        [1]王庆武.核电站在役检查探讨[J].中国核电，2008，1（2）：156-161
        [2]DL/T714-2011：汽轮机叶片超声波检验技术导则[S].