刍议汽轮机转子叶轮裂纹的超声检测方法
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摘要：汽轮机转子的无损检测是一项系统工程,涉及汽轮机和金属材料等多个专业。为使转子安全运行及其寿命的检测提供可靠数据,文中针对叶轮介绍了多种检测手段,并总结出相对成熟的检测方法,供业内人士参考。
关键词：汽轮机叶轮 无损检测 超声表面波检测 超声爬波检测
无损检测是工业发展必不可少的有效工具,在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平,其重要性已得到公认。无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测,所以实施无损检测后,产品的检查率可以达到100%。但是,并不是所有需要测试的项目和指标都能进行无损检测,无损检测技术也有自身的局限性。某些试验只能采用破坏性试验,因此,在目前无损检测还不能代替破坏性检测。文中汽轮机转子无损检测采用超声检测。汽轮机转子的无损检测是一项系统工程,涉及汽轮机和金属材料等多个专业。为使转子安全运行及其寿命的检测提供可靠数据,文中针对叶轮介绍了多种检测手段,并总结出相对成熟的检测方法,
根据DL438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》标准要求,规定调节级叶轮变截面处和热槽等部位在制造过程与日常检修中应进行外圆探伤和硬度检测。
1、汽轮机转子材料软化特性和硬度测量意义
汽轮机转子由主轴、叶轮或转鼓、动叶片和联轴器等汽轮机旋转部件组成的组合体。在高温环境下转子工作,由于蠕变、疲劳等因素,导致材质等出现老化的情况。CrMoV转子钢材质老化现象的典型特征之一就是材料软化,其表现特征就是材料硬度降低。硬度是衡量部件软化的一个重要指标。有研究表明,在转子联轴节处,由于运行温度降低,可以认为保持了原始材料的性能,但其它部位,特别是高温部分,硬度有很大的降低,最低达到H_V≈80。随着材料硬度降低,相应的蠕变断裂时间减少,即蠕变断裂寿命下降,疲劳断裂循环次数显著减小。
根据《电站汽轮机转子无损检测标准》,有关转子硬度的检测规定如下:(l)试验时间:硬度检测的时间从转子生产过程一开始就适用,对运行中的转子则在定时大修情况下进行。(2)试验位置:为了调查转子高温部位的时效变化,试验位置应选择在易受热疲劳的高温部位。另外,转子铸件生产制造时期的试验位置应与运行中的转子检修时测定位置相同。(3)试验方法:要求选定的试验位置上测量5点,但各点试验压痕间的距离必须大于压痕直径的两倍。
调节级叶轮R过渡区位置较窄,此区域因承受高温高压工况,加之水汽的影响,表面覆盖一层较厚的氧化皮,因而常用的渗透和磁粉检验受到限制。分别采用超声表面波和超声爬波两种不同波形检测,对表面和近表面的裂纹或其它缺陷有较满意的效果。
2.1 超声表面波检测R过渡区缺陷
近表面缺陷检测时,表面波的能量集中于表面下两个波长之内,检测表面裂纹灵敏度极高,并且表面波的强度法和时延法可以较为准确地测定裂纹深度,如图l所示。
但是,对于表面粗糙的工件,在堆焊层部位等会出现干扰杂波,使探测灵敏度大大下降。表面波传播中遇到工件的棱边会产生反射波,如果棱边存在倒角,即可以更多能量通过圆弧面,调节级叶轮及过渡区表面波同样有较多能量通过,只有存在裂纹波时会发生强烈反射。
(1)表面波探伤时仪器时基线调整扫描速度调整方法与普通探头不一样,入射点按探头前沿计算。调节时,将探头对准试块棱边,回波信号按水平距离调节成一定比例。(2)探伤灵敏度调整探头对准直角棱边,调整棱边回波高度达到标准值(如满屏的80%),再增益21dB作为探伤灵敏度。对于5MHz的探头,此灵敏度相当于发现0.1mm的裂纹。
2.2 超声爬波检测R过渡区缺陷
爬坡是指表面下纵波,它是纵波从第一介质的第一临界角附近的角度入射于第二介质时在第二介质中产生的表面下纵波。在第二介质中,除了表面下纵波外还有其它波型。前者以纵波速度传播,通常称其为“爬波”,相应的探头成为爬波探头。图2为超声爬波检测调节级叶轮R过渡区裂纹,可探测最大深度)≥15mm,图3为利用爬波检测技术测量表面裂纹。
图2 超声爬波检测调节级叶轮R过渡区
图3 用爬波检测测量表面裂纹
(1)超声爬波探伤时仪器时基线调整 扫描速度调整与表面波调整方法相似,亦可以当人工裂纹与探头前沿并齐时,使裂纹位于时基线20处,比例为1:1。(2)探伤灵敏度调节 根据裂纹试块上裂纹深度和裂纹反射波高成正比关系,选择0.5mm或更高增益作为探伤灵敏度。
3、调节级前后弹性槽(热槽)超声纵波检验
调节级前端存在弹性槽(热槽),常规的超声波检验探头无法实施。为了实现外圆检测,可使用矩形晶片直人射纵波探头或00-40TR双晶探头放置在弹性槽内进行周向扫查。灵敏度调节采用底波方法及试块方法,底波法无需再制作试块。转子结构有中心孔和无中心孔实心转子两种。实心转子圆柱体曲底面调节灵敏度时的当量计算如下:
式中:――平底孔缺陷至探测面距离;
――铸件底面至探测面距离;
――材质衰减系数;
I――波长;
――平底孔缺陷的当量直径;
――中心孔圆柱面与平底孔缺陷的回波分贝差。
对于热槽内裂纹,常用表面检测方法(如渗透着色法、磁粉法)检测,由于存在矩形槽,很难实施常规的程序。在实际操作时,采用点式涡流探伤方法不仅能检出缺陷,而且能测量出裂纹深度,是一种值得推广的方法。
4、寿命预测
某电厂汽轮机截止大修时累计运行123208h,启停336次。大修时,发现汽轮机转子前轴封高温段1,2号弹性槽底部圆弧过度圆角处分别存在周向断续裂纹1条,深约2mm;周向连续裂纹2条,裂纹张口0.5-0.6mm,深约7mm。在对转子钢30CrMoV进行材质分析时,发现1,2号弹性槽底及调节级前叶轮根部表面维氏硬度值由最初的203降到目前的173。室温下屈服强度467MPa也比标准屈服强度686MPa低很多。
按常规,必须对1,2号弹性槽底部裂纹进行车削处理,改进原弹性槽结构尺寸。同时,从1,2号弹性槽底的裂纹来看,调节级工作温度最高,温度变化也最强烈,其叶轮根部的寿命损耗也应该很大。因此,还应该对调节级叶轮根部表面进行预测和分析。
根据上述致裂寿命预测方法,通过查询现存运行档案、启停和调峰情况,对汽轮机转子调节级前叶轮根部表面进行了在蠕变疲劳交互作用下寿命损耗的计算,表1为该处在各运行时段寿命损耗情况。
从表1结果看,到这次大修时,寿命总损耗达到86.391%,接近转子表面萌生裂纹程度,应对调节级前叶轮根部进行研磨处理,消除损伤表层,增加使用寿命。如不作任何处理,继续运行2年,则寿命总损耗将达到109.718%,调节级前叶轮根部表面将出现裂纹。若对调节级前叶轮根部进行研磨处理,可使表面硬度恢复到Hv=193,继续运行2年,寿命总损耗仅为13.755%。因此,对转子表面进行研磨处理是必要的。
5、结语
汽轮机转子的无损检测是一项系统工程,涉及汽轮机和金属材料等多个专业。只有按照DL 438一2009 标准要求,实施一系列有效措施后,才能提高机组运行的安全性和经济性。坚持引进无损检测新技术,提高检侧可靠性。根据检测需要,研制多种应用于现场的超声波换能器能促使新工艺得到广泛应用。