CN101322028B - 用于测试回转机械的驱动轴的状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过多个元件的环状的超声波传感器(900；1000)以纵波无破坏测试驱动轴(110)的方法，所述驱动轴仅在其一端可接近。这种传感器由多个独立的元件组成，所述元件可由相同频率的电脉冲激发，但是在本发明中向发射到元件的脉冲施加不同的电子相移。这种电子相移允许由构成传感器的所有元件合成的最终波束对焦或偏转，所述最终波束被聚集以占据大致圆柱的形状，该圆柱形状具有远小于待测试的轴的横截面的横截面，并且鉴于由轴的圆柱几何形状产生的波导效应，所述最终波束在整个距离上具有高能量。

Description

用于测试回转机械的驱动轴的状态的方法
技术领域
本发明涉及用于控制回转机械的驱动轴的状态的方法。本发明的目的主要是提出一种用于执行对驱动轴的状态进行非破坏性测试的方案，驱动轴的一端可用于执行所述测试。
背景技术
本发明将参照核反应堆主泵更详细地进行描述，所述主泵具体包括由电动机通过待测试的驱动轴驱动的叶轮。然而，根据本发明的方法可用于测试任何实心轴的状态，特别是用在承受可能损害所述轴的热、机械或其它应力的回转机械中的炭钢轴或不锈钢轴。
根据本发明的方法所使用的领域更详细的描述是由压力水冷却的核反应堆的主泵的领域。参照图1和图2描述目前所使用的这种泵的例子。
图1示出通常用在由压力水冷却的核反应堆中的、称作主泵的泵100；主泵100用于在核反应堆的冷却循环(称作一回路)中使在压力下的核反应堆的冷却水流通。泵100具体地包括：
-泵体101，通过第一管102连接到一回路的第一管路，并且通过第二管103连接到核反应堆的第二管路；泵100使水在这两个管之间流通，产生一定压力；
-叶轮104，由电动机105驱动；
-驱动轴106，具有固定到叶轮104的下部分110(称作泵轴)，该下部分自身能够看作驱动轴，以及通过耦合器107(称作中间轴)连接到电动机105的转子的上部分(称作电动机轴)；尽管在轴向方向109上由连续的直径稍微不同的部分组成，驱动轴106、更具体地是泵轴110大致是圆柱状的，因此允许装入和容纳不同的元件，特别是泵叶轮104或保护性热环；然而，现有直径的差异足够低而有资格称该驱动轴为大致圆柱状的轴；
-轴106的冷却、旋转导向的装置和设置在驱动轴106的周缘上的密封的装置的组件；这些装置具体地包括热障108，该热障由冷却流体通过的管网组成并且绕泵轴110的下端部的下部分设置；
-多个组件装置，具体地，嵌入设置在泵轴110的下部分的键槽中的过盈连接的键112，或插入到设置在驱动轴的热障108所在的位置的槽中的旋转固定件113或止动销。
泵轴110的下端部被设置为浸没在280℃(摄氏度)数量级的温度下的压力水中。此外，在正常的运行中，低于55℃的温度的冷水被注射到热障108上以形成一回路与密封轴的装置的阻塞。在这样情况下，由于280℃的一回路的水和55℃的注射水的混合，在驱动轴与热障之间存在承受温度的主要变化的过渡区114；轴的相应部分由此承受主要的热应力，该热应力可能导致在轴的该部分中发生破裂现象或裂纹现象。热引起的破裂是多样的并且形成网络。最深的破裂更好在轴向方向上。
除了热引起的破裂外，也观察到机械引起的破裂，后者或者出现在横截面的转变处，或者在防止固定到驱动轴106的部件旋转的止动销113的孔中，或者在键槽中，例如键112的键槽中。它们具有优选横向的取向。除了在钻有多个销孔的情况下，通常不存在多处破裂。另外，驱动轴106遭受沿着轴在横截面的转变处扭转断裂的风险。
因此，人们力求查明在表面开始并迅速扩展到部件的内部的缺陷是由机械疲劳或热引起的，或者两者引起的。它们主要位于主泵的下部，即承受主要温度梯度的部分。
在现有技术中，已经提出检测这些缺陷在泵轴110的下部发生的不同方案。具体地，已经提出涉及使用超声波传感器的几种测试方法。这些传感器发射超声波束到轴中；这些波束主要在轴的上述缺陷的部位反射；它们随后由耦合到信号处理装置的组件的超声波传感器接收，以便被转化并完全可能地检测所述缺陷的存在并且定位所述缺陷。在所有的测试方法中，存在将泵轴连接到发动机轴的中间轴，因此提供了进入泵轴的上端的可能性。
第一族群方案在于使用横向的超声波。这种方案的例子示于图3中，在该方案中测试与泵轴110类似的驱动轴。在这种方法中，超声波传感器(或传感器)与泵轴110接触地定位在传动点300；根据传感器的位置，可以到达待测试的不同点，可能在驱动轴的表面上的一个或多个反射后，波束可占据不同的轨道，这些轨道的不同例子分别由参考标识301、302、303和304标识，从而使每个光束能够到达待测试的点。所使用的传感器在大多数情况下是平行六面体的单一元件的传感器，这种传感器具有使波束相对于轴的轴线偏转高达大约75°的角的套圈。
这种方法的优点在于使缺陷被垂直并且有角度地定位：传感器绕驱动轴的旋转运动使由传感器的适当的轴向定位垂直确定的轴的圆周被扫描。然而，横向的传感器必须尽可能靠近待测试的区域地使用；它们必须被布置在比泵轴的直接可接近的位置低的位置中，于是必须拆除泵轴，这使测试操作变得复杂，特别是在核主泵的情况下。这些传感器也承受具有大的波束开孔的缺点，即低分辨率，仅显示相对主要的横向缺陷。由热疲劳引起的轴向缺陷不可能被检测到。
此外，需要使用套圈以在给定的方向上定位传感器，并因此获得所希望的入射角度，这使测试角度更加复杂。再者，热环的存在妨碍了传感器定位在轴的相应水平。最后，为测试最低点，可能需要使用超声波的几次反射，这涉及能量的主要损失并因此限制了返回信息的分辨能力。因此，轴越长使用该方法越困难。
第二族群方案在于使用纵向的波。这些测试方法使用发射扩散的超声波束400的传感器，如在图4中示出，在最远距离，即在大约三米处，波束被包含在泵轴110的直径内。这些方案使用具有柱状单一元件、环状单一元件类型的传感器，或者甚至具有两个元件或者两组分开的元件的传感器，以一个元件或一组元件用于发射，并且一个元件或一组元件用于接收。
这些测试允许检测大的横向缺陷以及它们垂直于轴的部位。然而，不可能精确地并且在轴的圆周上有角度地定位它们。具有小的反射面的机械引起的横向破裂很难被检测到，因为分辨率与在相同平面上缺陷的面积对光束的面积的比率相关。
此外，轴向缺陷不可能被检测到，因为所传递的能量永远不足以充足的数量通过轴向缺陷的上端衍射到传感器。
可通过增加声透镜来提高这种类型的传感器的测试，声透镜提高了对圆周的缺陷的分辨能力和定位，但承受具有给定焦点的缺点，该给定焦点具有单独的距离，这使得多个传感器具有多个不同的待检测的高度。此外，轴向缺陷还是未被这些改进的传感器检测。
最后，应当注意到，刚才所描述的操作对应于在均一和同向性的环境中的超声波传感器的技术中固有的理论使用原则。现在锻制的轴以及特别是以奥氏体或奥氏体铁素体不锈钢制成的轴-主要存在于核反应堆的主泵中-具有冶金结构的异质区域500，如在图5中所示；这些异质区主要发现于最厚的部分，并且它们根据化学成分、锻制范围和加热处理的范围的不同而在轴与轴间不同。
在这些轴的较厚部分中，冶金结构由此被干扰并且保留导致超声波的相当大的反散射的过程。这种特性导致上述传统传感器的发射和接收能量的干扰和衰减。然而，冶金结构在超声波发射满意的周围是好的。
考虑到超声波束的向外的和返回的轨道，当使用具有横向波的传感器时，对于短轴即小于2米的轴横向波的波束需要横过这种异质区两次，对于长的轴即长达3.5米的轴需要横过更多次数，上述情况被恶化。
发明内容
根据本发明的装置解决已经列出的多个问题。在本发明中，建议在冶金受干扰的区域外形成超声波束并且在任何测试操作中绕开该区域。为此，在本发明中建议，采用环状的多元件的超声波传感器以纵波无破坏测试仅在其一端可接近的驱动轴。
这种传感器由可由相同频率的电脉冲激发的多个独立的元件组成，但是在本发明中向发射到元件的脉冲的部位施加不同的电子相移。这种电子相移允许由构成传感器的所有元件合成的最终波束对焦或偏转，所述最终波束被聚集以占据大致圆柱的形状，该圆柱形状具有远小于待测试的轴的横截面的横截面。主要由于由轴的圆柱几何形状产生的波导效应，所述最终波束在很长距离上具有高能量。
因此，本发明主要涉及试回转机械的驱动轴的方法，所述轴是实心的并且通常为圆柱状，其特征在于，所述方法包括不同的阶段，这些阶段在于：
-在待测试的轴的一端具有环状的传感器，所述环状传感器由多个独立的元件组成，每个元件能够至少以纵波的形式向所述驱动轴中发射基本的超声波束；
-向构成环状传感器的至少一些元件施加第一预定的对焦法则，以便产生具有大致圆柱形并且以预定角度偏转第一最终波束来瞄准待测试的驱动轴的第一特定部分，所述第一对焦法则由多个与传感器的不同元件之间相关的多个发射延时组成。
作为已经提到的主要特征的补充，根据本发明的方法具有一个或多个下列附加特征：
-所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于调整第一对焦法则，以便获得产生第二最终波束的第二对焦法则，从而瞄准待测试的驱动轴的第二特定部分；由此调整第一对焦法则，并且随后引起对最终波束偏转的调整，可以达到位于待测试的第一部分的上游或下游的第二部分。对待施加的延时的简单电子管理提供对所有待测试的区域的访问；
-所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于通过发动机并且绕所述驱动轴的中心轴线进行环状传感器的旋转；
-所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于在一些时机应用第一对焦法则，这些时机通过在每次时机以至少相同数量的元件并且在所述对焦法则中每次延时的方式转换；
-使用在所述方法中的环状传感器包括分布在单个环中的八个独立的元件；
-所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于：
-向第一元件施加第一延时并且向第二元件施加第二延时，所述第二延时长于或等于所述第一延时；
-向第三元件施加第三延时，向第四元件施加第四延时，向第五元件施加第五延时，向第六元件施加第六延时，所述第六延时等于第五延时，所述第五延时长于所述第四延时，所述第四延时等于所述第三延时，所述第三延时长于所述第二延时；
-向第七元件施加第七延时，向第八元件施加第八延时，以便产生聚集在圆形焦点上的第七基本波束和第八基本波束，从而在所述焦点的下游形成大致圆柱形的最终波束，所述第八延时等于所述第七延时，所述第七延时长于所述第六延时；
-第一元件、第三元件、第七元件和第五元件连续地位于所述环状传感器的第一部分，这些元件相对于垂直于所述环状传感器的发射表面并且位于所述传感器中心的平面分别与第二元件、第四元件、第八元件和第六元件对称；
-使用在所述方法中的环状传感器包括设置在传感器的周边的第一外环和靠近传感器的中心设置的第二内环，第一环和第二环是同心的；
-所述环状的传感器包括三十二个独立的元件，第一环和第二环分别包括十六个元件；
-所施加用来产生两个连续的基本波束的延时是一百纳秒的数量级；
-构成第一对焦法则的所有延时的延时的总数短于由构成环状传感器的每个元件发射的基本波束的发射时间；
-所述驱动轴是核反应堆的主泵的轮轴。
附图说明
在阅读下面的说明和分析附图的基础上，本发明及其不同的应用将变得更容易理解。这些应用通过示例示出并且决不限制本发明的范围。附图表示：
图1已描述过，是压力水核反应堆的主泵的部分剖视图，举例预通过根据本发明的方法测试的驱动轴；
图2也已描述过，是示于图1中的驱动轴的大范围的剖视图；
图3也已描述过，是根据现有技术测试驱动轴的第一方法的图形表示；
图4也已描述过，是根据现有技术测试驱动轴的第二方法的图形表示；
图5也已描述过，是待通过根据本发明的方法测试的驱动轴的图形表示；
图6是电子对焦原理的示意图；
图7是电子偏转原理的示意图；
图8是电子对焦原理和电子偏转原理结合的示意图；
图9是使用在根据本发明的方法的应用中的传感器的第一简化实施例；
图10是使用在根据本发明的方法的应用中的传感器的第二实施例；
图11是在静态测试的框架内根据本发明的方法的应用的图形表示；
图12是在动态测试的框架内根据本发明的方法的应用的图形表示。
在不同的图中，除非特别说明，相同的元件在不同的附图中保留相同的标识。
具体实施方式
在根据本发明的方法中，采用如分别在图6和图7中示出的电子对焦原理和电子偏转原理，以便对驱动轴的状态进行测试。
在图6所示的例子中，电子对焦的原理在于使用在发射到组成直线传感器601的多个独立元件600中施加的电子延时。延时602的法则-或对焦的法则-施加到独立的连续的元件600的组604。一般而言，延时的法则施加到多元件传感器在于输送单个电脉冲，所述脉冲在几个信道上分布，每一信道终止于所讨论的传感器的不同元件，每一信道也具有多个电容或感应类型的装置，它们使专属于此的延时在所讨论的信道的输出。
延时602的法则在于最初发射位于所示的独立元件的组604的周围的元件的超声波束。延时随后施加到组604的其它独立元件；施加到每个独立元件的延时是所考虑的元件与所示的独立元件的组604的周围的距离的上升函数：独立元件的组越占据中心位置，施加到其上的延时越长。因此，获得位于来自所考虑的传感器601的焦距D处的焦点603。焦距D基本取决于延时602的法则的幅度。
在图7所示的例子中，电子偏转的原理再次参照组成直线传感器601的多个独立元件600示出。在此，再次将电子延时施加到发射到连续的独立的元件600的所示的组604。存在于初始发射位于组604的一端的元件的超声波束，延时700的法则施加到所考虑的例子的右端。延时随后施加到组604的其它独立元件，施加到每个独立元件的延时是所考虑的元件与第一电脉冲已经施加到上面的元件的距离的上升函数：独立元件占据越远离由电脉冲激活的第一元件的位置，施加到其上面的延时应越长。因此，获得在对应于最后一个元件的位置的方向上偏转的整体波长，该最后一个元件已输送超声波束。
此后，在描述中术语“对焦法则”通常指待施加到传感器的不同元件多个延时，所述延时分布在或者偏转、对焦或者在由传感器产生的最终波束上的偏转和对焦。
基于对焦80的适当法则，图8示出电子对焦原理和电子偏转原理的结合的事实使超声波束801被获得，该超声波束通过电子偏转原理由示于图6的直线传感器603的连续的独立元件600的组604合成。
为了实施根据本发明的方法，将刚才描述过的电子对焦原理和电子偏转原理应用到多元件的环状传感器，该环状传感器的第一简化实施例900示于图9中。传感器900由规律地分布贯穿构成传感器的体积的八个连续的独立元件组成，参考标识分别为901至908。具体地，这种传感器可以产生最终波束1100，如图11所示，该最终波束通常为圆柱状。
为获得这种波束，例如可以应用与图8中的对焦800的法则类似的对焦法则，这种对焦法则与传感器的四个第一连续元件相关，所述第一四个元件构成传感器的第一半；相同的对焦法则同时应用到对称于传感器的四个第一元件的传感器的四个末尾连续元件。因此，这种对焦法则的例子在于发射与每个元件901至908相关的基本的超声波束，涉及下面的发射顺序：
-在第一时间，同时或几乎同时激发(也就是，短于100ns(纳秒))元件901和元件908；由此产生的基本波束主要用于获得在方向1101上合成的最终波束的偏转；
-在第二时间，同时或几乎同时激发元件902和907，然后激发元件904和905；由此产生的基本波束也有助于最终合成的波束的偏转并且有助于获得大致圆形的焦点1102；
-最后，在第三时间，同时或几乎同时激发元件903和906。因为归功于基本超声波束的邻接空间的能量体积，由这最后两个元件产生的基本波束将随后被物理地聚集在焦点1102上，所述基本超声波束开始在元件903和元件906前被发射，但当与元件903和元件906相关的基本波束正被发射时仍发射。以这种方式从它们的产物中聚集在元件903和906中，由这两个元件产生的基本波束能够深深地漫射到驱动轴110中；由于它们投射进入的轴110的大致圆柱的形状，所以它们在焦点1102上采取的形状通常为圆柱形，轴的这种圆柱形防止这些基本波束分叉。这种现象已知为圆柱效应。
图10示出使用在根据本发明的方法的特定实施中的环状传感器的第二实施例。传感器1000由分布在两个同心环中的三十二个独立元件组成，第一环1001包括16个元件，构成传感器1000的外围。其功能是产生中间的超声波，在该中间的超声波内最终的超声波将被合成，该最终超声波由同样包括16个元件并且靠近环状传感器100的中心定位的第二环1002产生。中间超声波随后主要用于补偿待测试的轴的横截面的变化；事实上，处于这种级别的横截面中的变形引起最终合成的波束的轻微变形；由此使最终合成的波束略差于纯圆柱形。为了使最终波束的圆柱形状更加完整，所以为中间波的产出制定了规则，由此确保最终波束从圆柱效益中受益，所述的中间波含有中心孔和圆柱形截面。
在根据本发明的方法中，由此可以产生超声波束，这些超声波束是：
-以预定的角度偏转，参照传感器900的第一实施例，由最终的波束采取的角度基本取决于施加在元件901和908与其它元件之间的延时。因此，可以根据需要调制缺陷，从而可通过部分调制对焦法则的电子延时用相同的传感器探测轴的整个下部；
-具有恒定的横截面和小于轴的包含待测试的区域的部分的直径的三分之一的直径，通过利用轴的圆柱几何形状给最终的波束高的长距离的能量密度。
在本发明中，施加到构成用于产生给定最终波束的传感器的不同元件的延时通常是这样的，即它们的总和小于所述元件中的每一个发射其基本波束的时间；所获得的具有大致圆柱形的最终波束因此是由构成传感器的所有元件激发和发射的所有基本波束的空间共存的合成，不同的射程由所施加的对焦法则指示的延时初始化。
最终波束的向外轨道和返回之间的能量损失最小，因为返回避开了存在于轴110的中心部分中的异质区500；相对于所测试的区域的直径最终波束的小横截面提供了缺陷的大小和形状的良好分辨率，并且通过逐渐旋转在上面的传感器提供精确的位置。因为最终合成的波束的高能量密度，入射能也使轴向破裂的存在通过衍射而被检测到。换句话说，由本发明的方法获得的圆柱形超声波束在长距离的范围内是高能量的，这使得可以不仅以波反射而且以衍射的方式在所观察的裂口型的缺陷上进行操作。
在根据本发明的方法的第一实施例中，在施加到每个元件的发射脉冲之间的相对延时表现了固定的、静态的对焦法则。如在图12中所示，传感器900由自身上的机械旋转1200驱动，例如由未示出的电动机类型的旋转驱动装置驱动，以便在所希望的距离处扫描轴110的区域的周围1201。
在根据本发明的方法的第二实施中，机械旋转可由使传感器900在待测试的轴的可接近的端部保持稳定所取代，通过连续地施加到不同元件上的圆形的离心扫描来测试；特别是如果可利用的周围空间不允许使用旋转驱动装置，这种实施可考虑是有利的。然而，这种实施仅允许获得的角度准确，这不象第一实施例获得的那样精细。
目前的要求涉及长达3.5米、直径为0.4m的锻制不锈钢轴。如果需要，使用在根据本发明的方法中的传感器可适用于测试大的部件。

Claims (12)

1.一种用于测试回转机械的驱动轴(110)的方法，所述驱动轴是实心的并且通常为圆柱状，其特征在于，所述方法包括不同的阶段，这些阶段在于：
-在所述驱动轴的一端具有环状传感器(900；1000)，所述环状传感器由多个独立的元件组成，每个元件能够至少以纵波的形式向所述驱动轴中发射基本的超声波束；
-向构成环状传感器的至少一些元件施加第一对焦法则，以便产生具有大致圆柱形并且以预定角度偏转的第一最终波束(1100)来瞄准所述驱动轴的第一部分，所述第一对焦法则由多个与所述环状传感器的不同元件之间相关的多个发射延时组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于调整第一对焦法则，以便获得产生第二最终波束的第二对焦法则，从而瞄准所述驱动轴的第二部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于通过发动机并且绕所述驱动轴的中心轴线进行环状传感器的旋转。
4.根据权利要求1或2中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于在一些时候应用第一对焦法则，这些时候通过在每次以至少相同数量的元件并且所述第一对焦法则的每次延时的方式转换。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用在所述方法中的环状传感器包括分布在单个环中的八个独立的元件(901至908)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括附加阶段，所述附加阶段在于：
-向第一元件(901)施加第一延时并且向第二元件(908)施加第二延时，所述第二延时长于或等于所述第一延时；
-向第三元件(902)施加第三延时，向第四元件(907)施加第四延时，向第五元件(904)施加第五延时，向第六元件(905)施加第六延时，所述第六延时等于第五延时，所述第五延时长于所述第四延时，所述第四延时等于所述第三延时，所述第三延时长于所述第二延时；
-向第七元件(903)施加第七延时，向第八元件(906)施加第八延时，以便产生聚集在圆形焦点(1102)上的第七基本波束和第八基本波束，从而在所述焦点的下游形成大致圆柱形的最终波束，所述第八延时等于所述第七延时，所述第七延时长于所述第六延时。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一元件，第三元件、第七元件和第五元件连续地位于所述环状传感器的第一部分，这些元件相对于垂直于所述环状传感器的发射表面并且位于所述环状传感器中心的平面分别与第二元件、第四元件、第八元件和第六元件对称。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用在所述方法中的环状传感器包括设置在所述环状传感器的周边的第一外环(1001)和靠近所述环状传感器的中心设置的第二内环(1002)，第一外环和第二内环是同心的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述环状传感器包括三十二个独立的元件，第一外环和第二内环分别包括十六个元件。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所施加用来产生两个连续的基本波束的延时是一百纳秒的数量级。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，构成第一对焦法则的所有延时的延时的总数短于由构成环状传感器的每个元件发射的基本波束的发射时间。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述驱动轴是核反应堆的主泵的轮轴。
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