汽轮机叶片叶身的无损检测技术探析

汽轮机叶片叶身的无损检测技术探析

马东亮

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：运行中的汽轮机叶片处于极复杂的应力状态，往往由于叶片设计不合理,材料不符合要求,机加工质量不佳,组装工艺不良,运行工况变动等因素的影响造成叶片断裂事故,严重威胁汽轮机运行安全。对叶片进行预防性检查是消除设备隐患,确保机组安全运行的重要手段。目前,疆内大量老机组仍在超期服役,大容量机组相继投运,叶片的断裂时有发生。长期以来,为了提高检测的准确性,许多单位做了大量的试验研究,形成了几种不同的检测方法,主要有磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆检测、涡流探伤等。

关键词：汽轮机；叶片叶身；无损；检测技术

叶轮是影响汽轮机工作效率的重要零器件,也是对汽轮机可靠性具有重要影响的器件。随着经济社会的发展,汽轮机的数量越来越多,叶轮的形状更加复杂,对叶片的性能要求也越来越高。一些特殊叶片的加工技术难度大,传统的加工方式难以满足要求。对汽轮机叶片进行研究,可以提高汽轮机叶片制造技术的发展,促进新工艺的形成。

一、汽轮机叶片的结构特点

（一）汽轮机叶片构造机装配

根据叶片功能的不同,汽轮机叶片可分为静叶片和动叶片。静叶片通常与汽轮机静子连接,处于相对不动状态,可以改变气流的方向,促使蒸汽进入下一个叶片。动叶片通常安装在转子叶轮或者转鼓上,受到喷嘴叶栅喷春雨气流作用,将蒸汽的能量转换成机械能。不同的汽轮机,叶轮的作用不同,叶片的固定方法也不相同。动叶片由三部分组成,叶根、叶冠和叶身。叶身通常是扭转的曲面,是叶片的基本组成部分。叶身塑面主要有内塑面、背塑面、出气边圆角等组成。直叶片的塑线从叶根到叶冠不发生变化,属于等截面叶片。叶片通常是比较复杂的曲面,对加工精度要求较高,使用传统的加工方法难以满足要求,是塑面难度大的关键所在。叶根主要是将叶片固定在叶轮上,保证叶片牢固。叶根可以使叶片在巨大离心力作用下不从轮槽中拔出来。叶根需要有足够的强度,并且能够应力集中。叶冠是叶片外端的固定。叶冠部分通常有围带,可以将多个叶片进行联接。围带可以提高叶片的刚性,避免叶片出现共振,并提高叶片抗振性。围带还可以形成密闭槽道,减少气流的泄露。

（二）汽轮机叶片与叶轮的装配

叶轮通常由轮缘、轮面和轮壳组成。轮壳主要是配合叶轮主轴,一般套装在主轴上,可以提高轮壳的强度。轮缘能够固定叶片,通常根据其受力情况进行叶轮结构设计。轮体位于叶轮中间,可以连接轮缘和轮壳。

二、汽轮机叶片叶身常见的损坏形式

叶片断裂或损伤的部位有三种类型,叶身断裂失效、叶根断裂失效以及叶冠或叶顶失效三种。经多年机组运行的经验,发现叶片叶身常见的损坏损坏形式有腐蚀疲劳损坏、短期超载疲劳损坏、高温疲劳损坏、应力腐蚀损坏、长期疲劳损坏以及接触疲劳损坏等。因为叶片的工作环境比较恶劣,受力情况也相对比较复杂,所以损坏事故就会经常发生,汽轮机运行的初期,这些损坏常常是在表面部位发生裂纹,这些部位常常发生在出汽边上的边缘地区,有时也发生在边缘垂直的地方,在对汽轮机的叶片和叶身进行检测时,要主要集中在这些表面部位。

三、常见无损检测技术优缺点

在对汽轮机进行检测时,采用的检测技术主要有涡流检测、磁粉探伤、金属磁记忆检测、渗透探伤以及超声波探伤技术。

涡流检测技术采用的仪器是涡流探伤仪,这种仪器主要是对叶片的探头进行检测,这些探头主要有边缘和笔式探头,另外还检测拉筋孔以及叶片的边缘侧。涡流检测技术的原理主要是依据电磁感应原理,在对探头部位进行检测时,叶片表面发生的裂纹会使涡流场产生畸变,改变了探头线圈的感应电压或者阻抗,结合信号产生的幅值变化和相位变化,对产生的缺陷进行判断。涡流探伤技术的优点是灵敏度高、检测速度迅速以及判定的缺陷比较准确,一般不会受叶片本身的间隙以及结构的影响。

磁粉探伤技术采用设备是专业的磁力探伤设备,这种技术的原理是根据漏磁场吸附磁粉,从而形成缺陷磁痕,通过缺陷磁痕来进行检测,该技术针对铁磁性材料来讲,其灵敏度比较高,如果采用颜色合适的磁粉,效果还会更佳,会形成更加明显的反差。磁粉探伤技术的缺点是不适用于同一级叶片之间间隙非常小的小容量机组,因为在进行磁粉探伤技术检测时,在施加磁悬液的同时要观察缺陷的变化,操作起来比较困难,难于观察,所以不适用于叶片之间间隙小的机组,对拉筋孔部位进行检测,也是同样的问题,另外对拉筋孔部位检测的效率也比较低,所以在不考虑效率的前提下,该技术比较适用于检测各级间隙较大的机组。

金属磁记忆技术采用的检测设备为金属磁记忆诊断仪,这种技术的原理对制件中和集中区的漏场分布情况做出相应的记录,并且进行分析。在裂纹产生的地方,一般会存在较大的集中应力区,采用记忆诊断仪对叶片叶身进行漏磁场记录,进而对此情况进行分析。该检测技术过于灵敏,以至于在检测完之后,还要结合其他检测技术对结果进行分析验证,确定是否存在缺陷和缺陷的性质是什么。该检测技术的优点是效率高,缺点是监测的结果不能作为最终的探伤结论。

四、无损检测技术对比

几种无损检测技术有各自的优缺点,一般是根据检测的效率、可靠性以及灵敏度上进行对比。

在检测效率上,涡流探伤技术的效率最高,可靠性和缺陷性检测比较高,在单一检测技术领域,涡流探伤技术是最好的检测方法。金属磁记忆技术和渗透探伤技术相互配合,其检测效率相对也比较高,可靠性较好,磁粉探伤技术、超声波探伤技术以及渗透探伤技术作为单一检测技术来说,检测效率比较低,超声波探伤技术还会收到操作人员等外在因素的影响。如要对叶片叶身表面进行全面积的检测,应优先选择渗透探伤或超声波探伤,这两种方法可以对叶片表面进行100%检测,不易漏检对叶片边缘〔如出汽边的检测,应优先选择涡流探伤,其次是磁粉探伤,也可使用磁记忆检测法进行初查后,再使用渗透探伤或磁粉探伤进行确认对拉筋孔部位的检测宜采用涡流探伤笔式探头和渗透探伤方法进行检测。

结论

本文简单介绍了汽轮机常见的几种损坏形式,分析了个检测技术的优缺点和原理,根据实际情况的不同,以及现场设备结构的不同,选用合适的检测技术。

参考文献：

[1]靳峰,汪毅,李世涛,张武能.汽轮机叶片叶身超声导波检测技术研究[J].汽轮机技术,2013,55(06):427-430.

[2]陈伟.汽轮机叶片模具设计自动化关键技术研究[D].江南大学,2007.

[3]耿金环.汽轮机叶片设计及型线修整方法的研究[D].哈尔滨理工大学,2009.

[4]付大鹏,王丽乾,孙文杰.汽轮机叶片的逆向造型及五轴数控加工技术研究[J].制造业自动化,2014,36(17):1-2+6.

[5]王建军.汽轮机叶片圆环形盘铣刀包络加工理论研究[D].沈阳工业大学,2015.

[6]龙朋.汽轮机叶片毛坯数控径向锻造关键技术研究[D].江南大学,2017.

[7]曹竟成.汽轮机叶片模锻工艺CAD与模锻过程有限元分析[D].燕山大学,2006.

[8]彭志.汽轮机叶片精锻工艺CAD与成形过程数值模拟[D].燕山大学,2002