汽轮机叶轮轴向和轴向应力检测及径向裂纹检测方法

汽轮机叶轮轴向和轴向应力检测及径向裂纹检测方法

车轮叶片是火电工程的一个大型高速旋转元件，将旋转力传递给轴，并在运行中承受巨大的向和向压力。轴向r圆角是最大的，尤其是近叶叶片。叶片长，蒸汽湿度高，温度低（80120c），氢脆效应的腐蚀非常活跃。当建湖周围的金加工粗糙时，内孔和轴的配合量过大，水质差。一般来说，是从产生点的裸露孔中引起的，通常是从此处引起的。裂纹是一种危险性的缺陷,它的存在和扩展将直接威胁着发电机的安全可靠运行.因此运用有效的检测手段,探索简捷的探伤方法,得以准确地对缺陷定量和及时发现设备隐患,为运行作出安全评价提供分析依据至关重要.1测试准备1.1试验块的制作试验的试块是按5×104kW机组汽机叶轮键槽尺寸加工,键槽尺寸为R5、50mm×13mm,模拟裂纹各为0.5,1.0,1.5和2.0mm计2块.所有裂纹在键槽顶面与R圆角相接并和键槽中心线成21°夹角走向的单侧部位.本次试验的目的是要探索超声波波束在R圆角上最大反射波幅与相应裂纹上的最大反射波幅之间的数量关系,并能建立起相应数学模式,以得出一套准确简捷的超声探伤方法.因此对试块的加工质量要求很高,为了达到理想状态,提高试验结果的准确和可信程度,我们严格规范了键槽尺寸、R圆切角、先切割模拟裂纹深度和走向角,并在二键槽的外侧各钻出与R圆角同声程和键槽中心线成27的ϕ3、ϕ10mm的横通孔,用以实测探头在叶轮工件上实际折射角的大小及比较声程,实际情况如图1所示.1.2叶轮键槽尺寸.1)最小横波折射角的确定.叶轮键槽径向裂纹的探测是利用超声横波在叶轮键槽轮壳肩部扫查得以寻获,为了使斜探头能扫查到键槽顶部的裂纹,探头的折射角至少应满足:β0≤sin-1((Rg-B+d)/Rg),(1)式中Rg为轮壳肩部半径;B为轮壳肩部厚度;d为键槽深度.5×104kW模拟叶轮键槽尺寸如图2.把Rg=350mm;B=135mm;d=13mm.代入式(1)得β0≤sin-1((350-135+13)/350)≤40.7°.(2)2)最佳横波折射角的确定.利用可变角斜探头,先将其底部研磨成与叶轮试块曲面相同,然后逐次定位在各个折射角度上,用同一灵敏度对叶轮键槽的R圆角和深为1mm的线切割槽模拟裂纹进行扫查,记录下各自在最大回波幅值时的dB值,比较选出灵敏度高和键槽R圆角与模拟裂纹波幅差值(J-F)最大的折射角探头.对5×104kW机组末级模拟叶轮测试所得为例,斜探头的最佳折射角为35.8°.取35.8°≈36°,测试汇总见表1.3)仪器的选择.按照叶轮键槽裂纹探伤的实际情况,被探测的缺陷小,声程长,探测面为曲面.所以一般选用检测范围大,水平、垂直线性好,定位定量直接精确并能进行曲面修正自动计算出弧长和深度的数字式超声波探伤仪.2检测核心设备的选择根据发电厂机组大修不作解体的事实,探测工作只能在狭小的轮壳肩部进行.按常规先用指向性好的ϕ14mm、5MHz的纵波直探头探测找出键槽中心所在,确定键槽位置,划出横波检测范围,接着对同一规格的探头(2.5MHz,9mm×9mm,36°折射角)进行处理和测试.处理是将探头底面在叶轮试块的肩部用砂纸研磨,使其与圆弧面吻合,有利于工作时的良好耦合;测试主要是测定实际折射角的大小,便于探出缺陷时能准确的定位、定量,测试还要把被挑选的探头一些相关数据测出来,整理后绘(J-F)曲线,这样可把灵敏度高,分辨力强,特别是以清晰区分R圆角与下端角的反射回波及(J-F)dB差大的探头挑选出来,以付诸于探伤实践中应用.图3、图4、图5为有关探头(J-F)曲线.2.1实际折射角的测定1)声程调整.在CSK-1A标准试块上,调节声速和始波偏移,就可以数字式超声波探伤仪上直接读出被检测对象的声程.2)曲面探伤实际折射角的测定.斜探头的折射角是在平面试块测得,而在曲面工件上探测,入射角要发生变化,导致折射情况的改变,因此须对折射角在工件或模拟试块上重新测定,否则将影响缺陷被检出后的准确定位.按所使用的探头在试块上规定位置所钻出的横通孔、键槽R圆角及顶面的模拟裂纹线切割槽深上所测得最大反射波幅时的声程Sx和已知的几何参数,通过余弦定理可求出实际折射角的大小,公式如下β=cos-1(Sx+Rg-Rn)/(2Sx×Rg),(3)式中Sx为探头发射中心至键槽R圆角或横通孔圆心或模拟裂纹处的距离;Rg为叶轮轮壳肩部半径;Rn为键槽R圆角或横通孔中心或模拟裂纹处至叶轮圆心的距离.2.2试验块键槽圆角的直径统计理论计算.以键槽R5圆角相当于直径ϕ10mm及长为Lf通孔与同声程处0.5mm模拟裂纹线切割槽深的波幅差值△dB,作为横波探伤理论计算的探测灵敏度,其公式为△dB=20logPWPΦ=Fs×Wf[2λ3(S+L2)3]1/2⋅cosϕcosα/Fs×Lf2(S+L2)2(λ3/Φ)1/2⋅cosβcosα=20logWfLf+10log2(S+L2)Φ‚△dB=20logΡWΡΦ=Fs×Wf[2λ3(S+L2)3]1/2⋅cosϕcosα/Fs×Lf2(S+L2)2(λ3/Φ)1/2⋅cosβcosα=20logWfLf+10log2(S+L2)Φ‚式中Wf为模拟裂纹深度;Lf为横通孔长度;Φ为横通孔直径,即模拟试块键槽圆角的直径;S为横波射入键槽圆角最大幅值时的声程值;L2为虚构源轴线在透声楔内的横波波长按10mm计.3缺陷的角度检验1)在叶轮键槽顶面上诱发的裂纹起初很微小,但它一般与顶面法线成21°角延伸,是一种处于类似端角反射的位向,选用合适入射到该缺陷的角度,即试验挑选出各个不同千瓦容量叶轮键槽横波折射的最佳角度,将有利于微小危险性缺陷的检出.2)通过相同规格