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在役燃机压气机叶根相控阵超声检测技术

2024-10-17 55 上传者：管理员

摘要：为解决在役燃机压气机叶根裂纹缺陷检测难题，以9E型压气机叶根为例，采用CIVA软件建模分析了叶根相控阵超声检测特点和可行性，针对特定自聚焦线阵探头确定了叶根检测工艺参数，并在带有自然裂纹缺陷和人工刻槽缺陷的专用对比试块上进行了验证。经仿真和试验室验证发现，高度4mm以上的裂纹缺陷具有较好的检出率。在技术推广过程中发现一起在役机组压气机叶根裂纹缺陷，拆解后进行了磁粉探伤验证。经过数值仿真、试验室验证和工程应用，验证了相控阵超声检测技术可以满足在役压气机叶根缺陷检测需求。

关键词：
压气机
叶根
循环发电机组
数值仿真
相控阵超声
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燃气轮机联合循环发电机组由于具有效率高、污染低、体积小、投资少、启停灵活等优点，近年来在国内发展很快，我国相继引进安装了多种国外的大容量机组[1,2]。由于压气机叶根安装在轮毂上，且叶根形状复杂，检测空间受限，因叶片根部开裂导致的恶性事故时有发生[3-6],如2021年9月苏州某燃气机组发生压气机叶根断裂导致的停机事故，造成巨额经济损失。

对于在役的压气机叶根，普通的脉冲反射式A型超声检测方式难以发现根部的缺陷，且叶根形状复杂，结构回波较多，缺陷信号分析困难。对于不起吊转子的检修，需要技术人员进入压气机内部，边检测边分析，检测结果难以保存，结果追溯困难。

相控阵超声检测技术作为一种可以成像检测的无损探伤技术，可以通过相位控制实现声束的偏转、聚焦，还可以通过CAD建模辅助缺陷判断，也可以采用CIVA等声学仿真软件模拟计算[7,8],检测结果以图像形式呈现，直观可靠，检测数据易于保存和回溯，特别适用于压气机叶根、汽轮机叶根等不规则结构、受限空间的检测[9-16]。

本文采用CIVA仿真软件，对压气机叶根建模分析了相控阵超声检测的可行性，确定了检测工艺和灵敏度。加工制作了压气机叶根专用对比试块，对检测工艺进行了验证，并在多个燃气机组进行了工程应用，发现一起在役压气机叶根裂纹缺陷，成功避免了一起安全生产事故。

1、检测模型

为了确定检测工艺，需先了解压气机叶根的结构特点，分析容易出现裂纹缺陷的位置和原因，以确定需要重点检测的区域。

1.1 相控阵超声检测原理

相控阵超声检测技术是一种可实现全方位多角度检测材料内部缺陷的新型检测技术，通过算法和程序激发探头的超声发射阵列，在被检工件内部形成不同聚焦深度和不同扫描方向的超声波，且声束的角度、焦点、尺寸和位置在一定的范围内连续可调，可实现对工件内部缺陷尺寸、方向和位置的成像检测。

由于相控阵超声检测的声场可以通过聚焦法则控制，在对狭小空间及异型复杂构件检测方面具有常规脉冲反射式A型超声不具备的独特优势。

1.2 压气机叶根特点

图1所示为某燃气机组压气机叶根断裂事故案例，该燃气轮机为GE公司生产的9E型机组，输出功率为120MW,于2013年并网投产，断裂前已累计运行35 834h, 共启动583次。因叶根断裂导致压气机动叶、静叶均存在不同程度的碰撞挤压损伤，并且压气机上、下缸内表面均存在撞击损伤。

经失效分析，发现断裂叶片的裂纹起源位置均位于叶根燕尾榫头折角的叶背侧中部位置，且存在多源同时萌生裂纹合并扩展的特征，燕尾槽内与燕尾榫头接触部位未见明显挤压磨损痕迹。

图1 压气机叶根断裂实物图

燃机压气机动叶叶片呈现中间厚两边薄的弧形，叶根呈燕尾槽型，叶根燕尾槽部位装嵌在轮毂上，不拆卸状态下只能从叶片上对叶根易开裂部位开展检测，为制定检测工艺，需先确定易开裂部位。叶片示意图和叶根(断裂)实物图如图2所示。根据事故案例分析认为该叶型设计导致叶背侧叶根燕尾榫头受力不均匀，且由于燕尾榫头转角过渡圆弧设计较小，存在较大的应力集中，易产生裂纹，如图2(b)所示。从事故案例可以看出，叶根裂纹起源于中部，向两侧扩展，可以认为叶片中部对应的叶根转角过渡处为必检部位，在制定检测工艺的时候，若不能实现叶根全覆盖，应重点检测叶片中间部位对应的叶根转角过渡处。

图2 叶根结构实物图和示意图

2、CIVA仿真

采用CIVA软件对压气机叶根缺陷相控阵超声检测可行性进行分析时，建模应尽可能精确，且在保证检测灵敏度前提下，尽可能选择成熟商用的相控阵探头，避免工程应用时增加不必要的成本支出。

2.1 结构建模

在役燃气机组的压气机叶根嵌在叶轮上，日常停机运维过程中不会将叶片拆卸下来检测，因此相控阵探头只能放置在叶片上对叶根部位实施检测。

目前大部分商用相控阵超声检测仪不具备3D建模功能，在对叶根建模分析时需要选取一个典型截面，并对截面进行拉伸。结合前文对断裂叶根的失效分析，选择叶片中间最厚部位截面作为建模分析对象，在叶根易开裂部位设置5个缺陷，如图3所示，缺陷清单见表1。

图3 缺陷示意图

表1缺陷清单

2.2 探头参数

仿真计算时优选国内各相控阵厂家成熟的商用探头和楔块，考虑叶片尺寸较小，选择自聚焦的线阵探头，型号为7.5S16-0.5×10,中心频率7.5MHz, 16阵元，阵元间距0.5mm, 阵元长度10mm。楔块型号为SD10-N60S-IH,如图4所示，楔块宽度22mm, 其它参数见表2。

图4 楔块示意图

表2楔块参数

2.3 检测参数设置

在叶根检测中，重点检测的是叶根结构突变处易开裂部位，一般采用横波扇扫形式，可以采用直射波、一次反射波、多次反射波实现被检区域的全覆盖，检测前应先确定扇扫角度和反射次数。

(1)反射次数确定

若采用一次反射或多次反射方式，高角度的声束可能在经过叶根底面反射后到达缺陷，仪器在合成计算的时候会在高角度的声程上显示出一个缺陷，如图5所示，橙色路径为高角度声束的实际路径，红色为仪器计算路径。在叶根检测过程中，一次反射或多次反射波可能会带来伪缺陷信号显示，因此在做仿真计算或实际检测时，尽量采用直射波形式，可以将闸门设置在底波之前，以排除多次反射波带来的伪缺陷显示。

图5 多次反射路径示意图

(2)检测区域及位置

检测采用横波扇扫，角度范围25°～75°,步进0.5°,聚焦方式可采用投影聚焦。由图3(a)可以看出，由于探头放置在叶片上，部分低角度声束会被叶片挡住，并不能进入叶根内，这种情况在叶片厚度较薄的情况下更明显。由于叶片呈现中间厚两边薄的形状，在探头沿着叶片宽度方向移动时会因为叶片厚度变化导致不同位置具有不同的缺陷检出率。

以GE的9E机组压气机第一级动叶为例，叶片中间厚度约30mm, 距离中间50mm的两侧厚度约20mm, 此时高度4mm的缺陷在探头前沿紧贴叶根的时候才能被声束覆盖，如图6(a)所示，探头距离叶根约4mm时，声束无法覆盖到高度4mm的缺陷。实际叶根与叶片过渡区域并不是突变，而是设计有过渡角，这就导致探头前沿不能紧贴叶根。可以认为，在叶片两侧厚度较薄的区域高度低于4mm的缺陷无法检测到，在叶片较厚的中间区域，高度1mm的缺陷在理论上是可以检出的。

图6 高度为4mm的缺陷覆盖示意图

2.4 仿真结果

采用前述探头和仿真参数，叶片厚度设置为30mm, 探头前沿距叶根约4mm, 对表1所列的5个缺陷进行仿真，结果如图7所示。从C扫图可以看出，5个缺陷均能有效检测出来。从扇扫图可以看出，高度4mm、6mm、8mm的缺陷上下端点的回波比较容易区分，可以通过上下端点的回波测量缺陷高度，但高度1mm和2mm的缺陷在上下端点的回波难以区分开。实际检测过程中，该位置可能会出现结构回波，会影响缺陷信号的判断。

图7 仿真结果

叶片厚度为20mm时，同样的5个缺陷仿真结果如图8所示，可以看出高度1mm、2mm的缺陷完全无法检测到，高度4mm缺陷回波不明显。

图8 叶片厚度20mm时仿真结果

根据叶片厚度对缺陷检出情况的影响，可以确定相控阵超声技术的检测有效区域，如图9所示。检测时探头放置在叶片内弧侧，探头前沿尽可能贴近叶根，沿着叶片宽度方向的有效扫查区域受限于叶片厚度，检测前应进行声线仿真确认。

图9 检测有效区示意图

以上仿真是基于GE的9E机组压气机第一级动叶的尺寸进行的，其它结构、尺寸的叶根可以参照执行。

3、试验室验证

3.1 对比试样

选取带有自然裂纹缺陷叶根试样和带有人工刻槽的对比试样进行验证，人工刻槽深度分别为4mm、6mm、8mm, 如图10所示。

图10 叶根缺陷试样实物图

3.2 检测结果

(1)人工缺陷对比试样检测结果

人工缺陷对比试样检测结果如图11所示，通过对检测数据测量分析，发现深度4mm的刻槽缺陷测量深度为3.23mm、深度6mm的刻槽缺陷测量深度为5.73mm、深度8mm的刻槽缺陷测量深度为7.65mm, 检测结果可信性较好。因此可以将检测灵敏度定为深度4mm人工刻槽缺陷A扫波型不低于满屏幕80%,考虑现场检测空间受限，耦合情况和实验室略有差异，可以将检测灵敏度适当提高2dB～4dB。

图11 人工刻槽缺陷检测结果

(2)自然裂纹缺陷对比试样检测结果

通过对带有自然裂纹缺陷的对比试样进行数据采集和测量分析，发现缺陷中心部位裂纹深度约15mm, 缺陷左端点裂纹深度约8mm, 缺陷右端点裂纹深度约2.8mm, 如图12所示，通过验证可以证明检测工艺的有效性。

图12 自然裂纹缺陷检测结果

4、工程应用案例

4.1 检测情况

结合停电检修，对某燃气机组压气机一级动叶叶根进行相控阵超声检测。该机组为PG9171E型燃气轮机，为GE公司生产，2015年投入运行，截止检测时已运行约34 000h。

检测采用M2M公司Gekko型相控阵超声检测仪，32:128通道，探头为7.5S16-0.5×10型自聚焦线阵探头，检测时使用编码器以记录数据。检测现场如图13所示。对32片一级动叶叶根进行检测，发现一片动叶的叶根存在疑似裂纹缺陷，检测结果图谱如图14所示。

图13 不拆卸检测现场

图14 有缺陷叶根检测图谱

该缺陷信号与图9中自然裂纹缺陷试样信号高度相似，在C扫图上测量缺陷长度不低于50mm, 裂纹最深可达17mm, 基本可以判定该叶根已经不适合继续运行，安全风险巨大，需及时更换。

4.2 拆解验证

对发现有疑似缺陷的叶片进行了拆解验证，对怀疑存在缺陷的部位分别进行了着色型渗透检测和磁粉检测，如图15所示。对比渗透和磁粉检测结果，发现磁粉检测可以有效发现裂纹缺陷，但渗透检测对叶根裂纹的检出效果不好。从渗透检测放大图可以看出，显像之后未发现明显红色缺陷痕迹，但存在不明显的油迹，说明表面开口的裂纹中渗入了油，渗透检测过程中着色渗透剂未能渗入裂纹缺陷中，多余的渗透剂随后在清洗过程中被去除，在显像过程中，裂纹缺陷中原来的油被吸附出来形成了缺陷痕迹。由于叶片材料导磁性较好，进行磁粉检测可以有效发现该裂纹缺陷，从而验证了相控阵超声检测的有效性。

图15 裂纹缺陷的拆解验证

5、结论

本文以GE的9E型压气机叶根为例，通过CIVA仿真分析了压气机叶根检测特点，选用商用自聚焦线阵探头对缺陷检出率进行了仿真，确定了声束角度范围、适用的叶片厚度范围，并加工制作了专用对比试块验证了检测可行性。在技术推广过程中发现一起在役机组压气机叶根裂纹缺陷，并进行了拆解验证，为发电企业避免了巨额经济损失。

经过仿真、试验室验证、现场检测验证，可以得到以下结论：

(1)压气机叶根截面突变处易开裂部位的缺陷可以采用相控阵超声技术进行检测，检测前应根据叶根结构建模分析声束覆盖范围和检测可行性。

(2)缺陷检出率和适用范围受叶片本身厚度影响，对于9E型压气机叶根，在叶片中部左右两侧50mm范围内具有较好的检测效果。

(3)对于9E型压气机叶根，叶片厚度20mm及以上时，高度不低于4mm的缺陷具有较好的检出效果。

参考文献:

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