CN101614704A - 探伤测试方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种在涡轮发电机转子轴的槽燕尾部分应用的探伤测试方法。该探伤测试方法包括：使用可变角超声波探头确定槽燕尾部分的槽角的角度确定步骤；基于角度确定步骤中的确定结果，使用斜角超声波探头或相控阵探头执行探伤以检测出槽燕尾部分中的缺陷的探伤执行步骤；以及当探伤执行步骤中检测到缺陷时，使用斜角超声波探头测量距离槽燕尾部分的表面的缺陷深度的缺陷深度测量步骤。

Description

探伤测试方法

技术领域

本发明涉及一种在涡轮发电机转子轴的槽的燕尾部分(slot dovetailportion)中应用的探伤(flaw detection)测试方法。

背景技术

当涡轮发电机转子在运行时，在涡轮发电机转子轴的槽燕尾部分当中可能会发生磨蚀疲劳破裂(fretting fatigue fracture)，即在靠近将要被插入的转子线圈楔的肩部的轴侧。

在周期性检查期间检测磨蚀疲劳破裂的公知方法是磁性颗粒测试和涡流测试(eddy current testing)，其中通过将端环(end ring)和转子线圈楔拆卸来执行表面探伤。

然而，为了实现端环和转子线圈楔的拆卸，需要将转子送到制造工厂。这会增加需要关闭发电机的时间，而给电力公司带来昂贵的负担。因此，经常采用超声波测试，这是一种可以现场执行而无需拆卸的内部探伤技术。

当对槽燕尾部分应用超声波测试时，需要考虑槽燕尾部分对于作为测试表面的转子轴的外圆周表面的槽角(slot angle)。

如果具有关于转子轴1的制造图则可得知槽角。否则，需要预先测量槽角，以便实现所选择的超声波探头。

进而，为了提高通常具有小开口宽度和方向性的诸如磨蚀疲劳破裂等缺陷(flaw)的检测准确度，需要调节通过缺陷反射的超声波束的反射角，从而尽管受到槽角的限制仍可避免模式转换损耗(mode conversion loss)。

如果检测到任何缺陷，需要测量缺陷的深度以便确定是否继续操作或是需要修理。

发明内容

相应地，本发明的目的在于提供一种探伤测试方法，以实现对涡轮发电机转子轴有效地执行超声波测试。

根据本发明的一个方面，提供了一种应用于涡轮发电机转子轴的槽燕尾部分的探伤测试方法。该方法包括：使用可变角超声波探头确定槽燕尾部分的槽角的角度确定步骤；基于角度确定步骤中的确定结果，使用斜角超声波探头或相控阵探头执行探伤以检测出槽燕尾部分中的缺陷的探伤执行步骤；以及当探伤执行步骤中检测到缺陷时，使用斜角超声波探头测量距离槽燕尾部分的表面的缺陷深度的缺陷深度测量步骤。

附图说明

所附的附图都包括在并且构成了说明书的一部分，并且描绘了本发明的实施例，附图与如上给出的发明内容和如下给出的具体实施方式一起用来说明本发明的原理。

图1是示出了通过根据本发明实施例的探伤测试方法进行测试的具有槽燕尾部分的涡轮发电机转子轴1的铁芯部分的示例的截面图；

图2是示出了在图1所示的转子轴1的槽2中安装了转子线圈4和转子线圈楔5的结构的示例的立体图；

图3是示出了安装了图2所示的转子线圈4和转子线圈楔5的转子轴1的外观的示例的立体图；

图4是示出了在根据实施例的探伤测试中使用的设备的示例的示意图；

图5是示出了构成根据实施例的探伤测试方法的处理流程的示例的示意图；

图6是示出了对应于超声波束的反射回波的检测的示意图，该超声波束是通过在转子轴1的外圆周表面上安装的纵波、可变角超声波探头11发出的并且随后被槽燕尾部分3所反射；

图7是示出了用来测量槽燕尾部分3的槽角的各种参数的示意图；

图8是示出了测量槽角的处理流程的细节的流程图；

图9是示出了在测量槽角的过程中在超声波探伤器100的屏幕上得到的波形的示意图；

图10是示出了用来设定从槽燕尾部分3中的缺陷反射的角度θ、超声波入射角α、超声波探头的倾角(inclination)γ的各种参数的示意图；

图11A和图11B是示出了与在槽燕尾部分探伤S2中使用的剪切波(shear-wave)斜角超声波探头21相关的入射角α和倾角γ的示意图；

图12A和图12B是示出了从y轴和x轴方向上看去的剪切波斜角超声波探头21和缺陷K之间的位置关系的示意图；

图13是示出了通过最优地选择或是设定剪切波斜角超声波探头21来执行的探伤的示意图；

图14是示出了槽燕尾部分探伤S2的处理流程的细节的流程图；

图15是示出了在槽燕尾部分探伤S2的过程中在超声波探伤器100的屏幕上得到的波形的示意图；

图16是示出了使用相控阵(phased array)探头31对槽燕尾部分3执行的探伤的示意图；

图17是示出了在槽燕尾部分探伤S2的过程中探伤扇形图像和在超声波探伤器100的屏幕上得到的波形的示意图；

图18是描绘了距离槽燕尾部分3的表面的缺陷深度D的示意图；

图19是示出了在基准灵敏度下的人工缺陷(artificial flaw)深度和振幅之间关系的数据的示例的示意图；

图20是示出了通过振幅方法执行的缺陷深度测量S3的处理流程的细节的流程图；

图21是示出了如何通过TOFD方法执行缺陷深度测量S3的示意图；

图22是示出了通过TOFD方法执行的缺陷深度测量S3的处理流程的细节的流程图；以及

图23是示出了在通过TOFD方法执行缺陷深度测量S3的过程中在超声波探伤器100的屏幕上得到的波形的示意图。

具体实施方式

下面将会参考附图说明本发明的实施例。

图1是示出了通过根据本发明实施例的探伤测试方法进行测试的具有槽燕尾部分的涡轮发电机转子轴的铁芯部分的示例的截面图。

如图1所示，转子轴1具有用来安装转子线圈和转子线圈楔(在附图中没有示出)的多个槽2。当槽2中安装了转子线圈和转子线圈楔时，转子轴1还具有与转子线圈楔的肩部相接触的槽燕尾部分3。

图2是示出了在图1所示的转子轴1的槽2中安装了转子线圈4和转子线圈楔5的结构的示例的立体图。图3是示出了安装了图2所示的转子线圈4和转子线圈楔5的转子轴1的外观的示例的立体图。

如图2和图3所示，每个转子线圈4都被插入到转子轴1中对应的一个槽2当中。通过对应的一个转子线圈楔5固定转子线圈4。此时，槽燕尾部分3与转子线圈楔5的肩部相接触。因此，当转子运行时，可能会在槽燕尾部分3中发生磨蚀疲劳破裂。在本实施例中，对仍然安装着转子线圈4和转子线圈楔5时的缺陷执行探伤测试。

图4是示出了在根据实施例的探伤测试中使用的设备的示例的示意图。

本实施例使用了超声波探伤器100、各种超声波探头(包括相控阵探头)101、102...、信息处理设备(计算机、便携式信息终端等)200等。

超声波探伤器100是一种通过超声波探头101、102...针对诸如转子轴1中的槽燕尾部分3等对象执行超声波探伤测试的设备。信息处理设备200执行测试所需的各种计算(角度、大小等计算)。

图5是示出了构成根据实施例的探伤测试方法的处理流程的示例的示意图。

在本实施例中，按槽角确定(角度确定步骤)S1、槽燕尾部分探伤(探伤执行步骤)S2、以及缺陷深度测量(缺陷深度测量步骤)S3的顺序，对槽燕尾部分3执行超声波探伤测试。

在槽角确定S1中，确定槽燕尾部分3的槽角(倾角)。首先，核对是否存在可以利用的制造图。此时，可核对是否存在所期望的制造图，例如，基于在信息处理设备200的记录介质中预先注册的信息。如果存在制造图，则通过制造图确定槽燕尾部分3的槽角。如果不存在制造图，则使用可变角超声波探头来测量槽燕尾部分3的槽角。通过信息处理设备200执行上述情况下所需的各种计算。

在槽燕尾部分探伤S2中，基于在槽角确定S1中获得的确定结果，使用斜角超声波探头或相控阵探头来执行探伤以便检测出槽燕尾部分3中的缺陷。

在缺陷深度测量S3中，如果检测到任何缺陷作为槽燕尾部分探伤S2的结果，则使用斜角超声波探头来测量缺陷的深度。这里，如果通过槽燕尾部分探伤S2检测到的缺陷大小是小于预设值的，则利用缺陷深度和从缺陷得到的反射回波的振幅之间的关系通过振幅方法来测量缺陷深度。另一方面，如果通过槽燕尾部分探伤S2检测到的缺陷大小是大于等于预设值的，则通过衍射波时差(TOFD，time of flight diffraction)方法来测量缺陷的深度。

下面将会详细地依次说明槽角确定S1、槽燕尾部分探伤S2、以及缺陷深度测量S3。

(槽角确定)

参考图6至图9，说明槽角确定S1。如果存在转子轴1的制造图则可得知槽角。否则，为了选择超声波探头需要预先测量槽角。

图6是示出了对应于超声波束的反射回波的检测的示意图，该超声波束是通过在转子轴1的外圆周表面上安装的纵波可变角超声波探头11发出的并且随后被槽燕尾部分3所反射。图7是示出了用来测量槽燕尾部分3的槽角的各种参数的示意图。在图6和图7中，α表示超声波(纵波)入射角，β表示超声波(剪切波)折射角，并且δ表示测试表面的曲率角。进而，φ表示槽角，L表示波束路径长度，并且Z表示槽燕尾部分的深度。

在槽角测量中，基于超声波入射角α和波束路径长度L，在该超声波入射角α和波束路径长度L下，对应于由纵波可变角超声波探头11发射并且随后由槽燕尾部分3反射的超声波束的反射回波具有最大的振幅，计算槽燕尾部分3的槽角φ和槽燕尾部分深度Z。

在上述参数之间存在有由计算公式(1)至(3)表达的关系。

β＝sin^-1{(5900/2730)sinα}    ...(1)

φ＝β+δ                      ...(2)

Z＝Lcosφ                      ...(3)

现在，参考图8详细地描述槽角测量的处理流程。首先，通过量角器(protractor)来测量曲率角δ(步骤S11)。

曲率角δ是切线L1的法线和与槽燕尾部分3接触的转子线圈楔和转子线圈在深度方向上的线L3(槽的中心线)之间的角度，切线L1在超声波束入射到转子轴1上的入射点P1处与轴表面相切。

随后，检测从槽燕尾部分3反射的反射回波的峰值(步骤S12)。

例如，在超声波探伤器100的屏幕上可得到A范围内(横坐标的轴：时间或距离，纵坐标的轴：回波高度)的图9所示的波形。即，在图6所示的丙烯酸树脂A的测试表面上反射的多个反射的两个峰值13之间出现了周期14，周期14中出现从槽燕尾部分3反射的反射回波。检测到周期14期间内的峰值15。

随后，根据探头规尺(scale)确定峰值15处的入射角α。根据入射角α和计算公式(1)计算折射角β(步骤S13)。

随后，根据曲率角δ、折射角β、以及计算公式(2)来计算槽角φ(步骤S14)。

最后，基于超声波探伤器100的屏幕来确定波束路径长度L。根据波束路径长度L、槽角φ、以及计算公式(3)来计算槽燕尾部分深度Z(步骤S15)。使用槽燕尾部分深度Z作为安装了如下所述的在槽燕尾部分探伤S2中使用超声波探头的位置的参考。

例如，基于图9所示的波形，计算从测试表面的第一反射(两个峰值13中的第一个)到峰值15之间的周期16相对应的波束路径长度L。

(槽燕尾部分探伤)

参考图10至图17说明槽燕尾部分探伤S2。

图10是示出了用来设定从槽燕尾部分3中的缺陷反射的角度、超声波入射角、超声波探头的倾角的各种参数的示意图。在图10中，γ表示从探头上部看到的倾角，θ表示从缺陷的反射角度，X表示槽燕尾部分的轴距离，Y表示槽燕尾部分的圆周距离。参考图7已经说明了α、β、δ、φ、L和Z。图11A和图11B是示出了与在槽燕尾部分探伤S2中使用的剪切波斜角超声波探头21相关的入射角α和倾角γ的示意图。图12A和图12B是示出了从y轴和x轴方向上看去的剪切波斜角超声波探头21和缺陷K之间的位置关系的示意图。

在槽燕尾部分探伤S2中，为了准备槽燕尾部分3的实际探伤，需要调节好来自转子轴1的外圆周表面上安装的剪切波斜角超声波探头21的、被缺陷K反射的超声波束反射的反射角θ以使其成为预定的角度或是落入预定范围内。这里，反射角θ被设定为在从剪切波到纵波的模式转换中不会发生损耗的45度，或是被设定为从大约35到55度范围内的任意值。

基于反射角θ来调节入射角α和倾角γ(从转子轴1的深度方向上看去的、连接超声波束入射到转子轴1的外圆周表面上的入射点P1和在缺陷K处的反射点的线和连接入射点P1和点P2的轴线之间的角度，点P2是在缺陷K反射点处的槽燕尾部分3表面上的法线与转子轴1的外圆周表面相交的点，即从剪切波斜角超声波探头21的上部看去的倾角)。因此，通过最小程度地利用剪切波斜角超声波探头21的振荡扫描执行前后左右的扫描来精确地检测出缺陷6。

参数具有通过计算公式(4)至(6)表达的关系。

$\mathrm{\α}={\sin }^{-1}\left(\frac{2730}{3230}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\θ}}\right)\·\·\·\left(4\right)$

β＝cos^-1(sinφcosθ)                ...(5)

$\mathrm{\γ}={\cos }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\θ}}}\right)\·\·\·\left(6\right)$

基于上述这些计算公式，从如上所述在槽角确定S1中确定的槽角φ和所确定的反射角θ可以确定入射角α、折射角β和倾角γ。因此，基于上述这些角度，可优选地选定并且设定剪切波斜角超声波探头21。

参数还具有通过计算公式(7)至(9)表达的关系。

X＝Z×tanβ×cosγ                   ...(7)

Y＝Z×tanβ×sinγ                   ...(8)

L＝Z/cosβ                           ...(9)

上述这些计算公式实现了确定剪切波斜角超声波探头21和缺陷K之间的各种度量范围。

图13是示出了通过最优地选择或是设定剪切波斜角超声波探头21执行的探伤的示意图。

如图13所示，使用转子轴1的外圆周表面上安装的剪切波角度探头21来检测槽燕尾部分3中的缺陷。使用超声波探伤器100可以观察所检测到的缺陷K的大小等。

现在，参考图14说明槽燕尾部分探伤S2的处理流程。

首先，缺陷K处的反射角θ设定为在从剪切波到纵波的模式转换中不会发生损耗的45度，或是被设定为从大约35到55度范围内的任意值(步骤S21)。

随后，从如上所述在槽角确定S1中确定的槽角φ、所确定的反射角θ、以及计算公式(4)至(6)确定入射角α、折射角β和倾角γ(步骤S22)。

随后，基于入射角α、折射角β和倾角γ，最优地选择或是设定剪切波斜角超声波探头21(步骤S23)。

最后，最优选择且设定的剪切波斜角超声波探头21用来检测槽燕尾部分3当中的缺陷(步骤S24)。通过在超声波探伤器100的屏幕上查看缺陷K的大小等，上述探伤检测实现了能够检测出缺陷K。

例如，在超声波探伤器100的屏幕上可得到A范围内(横坐标的轴：时间或距离，纵坐标的轴：回波高度)的图15所示的波形。即，出现了传输波22并且紧跟着对应于波束路径长度L的周期26。周期26后面紧跟着周期23，周期23中出现了来自槽燕尾部分3中缺陷K的反射回波。随后，确定周期23期间内的峰值24的高度25。基于高度25，确定缺陷K的大小。

已经描述了使用剪切波斜角超声波探头21检测槽燕尾部分3中的缺陷的示例。可选地，如图16所示，还可使用相控阵探头31检测槽燕尾部分3中的缺陷。

在这种情况下，通过执行扫描(扇形扫描(sectorial scan))检测槽燕尾部分3中的缺陷，上述扫描可使超声波束产生振荡，从而在最优的反射角(θ＝45度)附近改变折射角β，而图10所示的倾角γ固定。

此时，如图17所示，在超声波探伤器100的屏幕上可得到波形和扇形探伤图像(截面图像)；在A范围内显示波形并且波形包括来自缺陷K的反射回波32，并且在B(D)范围内显示扇形探伤图像并且扇形探伤图像包括超声波束33周围的扫描范围内的缺陷K的阴影。这些图像也使得能够进行缺陷K的大小的确定。

(缺陷深度测量)

参考图18至图23说明缺陷深度测量S3。

图18是描绘了距离槽燕尾部分3的表面的缺陷深度的示意图。缺陷深度D对应于与槽燕尾部分3的表面垂直的方向上缺陷K的长度。

如果缺陷足够小而抑制了反射回波的振幅达到饱和，则通过振幅方法来确定缺陷深度D。在这种情况下，可使用如图19所示的表示“基准灵敏度下的人工缺陷深度和振幅之间的关系”的数据。按照如下方式来生成数据。使用剪切波斜角超声波探头21设定来自预先生成的模拟试验片(mockup test piece)中具有已知深度的人工缺陷的回波，使其具有超声波探伤器100的屏幕上的预定高度(基准灵敏度)。在基准灵敏度下，测量并且记录来自各种深度的人工缺陷的回波的高度(振幅)。

现在，将会参考图20说明通过振幅方法执行缺陷深度测量S3的处理流程。

首先，基于在槽角确定S1中确定的槽角φ，制备具有已知深度的人工缺陷的模拟试验片，已知深度足够小而抑制了回波达到饱和(步骤S31)。

随后，设定来自特定深度的人工缺陷的回波，以使其具有超声波探伤器100的屏幕上的预定高度(基准灵敏度)(步骤S32)。

随后，在基准灵敏度下，测量并且记录来自各种深度的人工缺陷的回波的高度(振幅)，以便生成表示“基准灵敏度下的人工缺陷深度和振幅之间的关系”的数据(步骤S33)。

随后，在对槽燕尾部分3的实际探伤中，根据波束路径长度L，基于剪切波斜角探头21的距离振幅特性曲线，探伤灵敏度被设定为等于基准灵敏度加上灵敏度校正量(步骤S34)。

最后，如果检测到来自缺陷K的反射回波，则由“基准灵敏度下的人工缺陷深度和振幅之间的关系”检查反射回波的振幅以确定缺陷深度D。

因此，振幅方法的使用实现了对于槽燕尾部分3中的小缺陷的深度的准确地确定(步骤S35)。

另一方面，如果缺陷非常大造成来自缺陷6的反射回波的振幅变为饱和，则通过TOFD方法来确定缺陷深度D。在这种情况下，如图21所示，在转子轴1的表面上彼此相对地设置了具有与如上所述的剪切波斜角超声波探头21相同的折射角β和倾角γ的、两个纵波斜角超声波探头41和42。进而，应用TOFD方法。随后，根据侧面波(lateral wave)的波束路径长度L_L、衍射波的波束路径长度L_D、背面回波(back wall wave)的波束路径长度L_B、以及计算公式(10)来确定槽燕尾部分3中的缺陷深度D。

$D=\sqrt{{\left(\frac{L_B}{2}\right)}^2-{\left(\frac{L_L}{2}\right)}^2}-\sqrt{{\left(\frac{L_D}{2}\right)}^2-{\left(\frac{L_L}{2}\right)}^2}\·\·\·\left(10\right)$

现在，将会参考图22说明通过TOFD执行缺陷深度测量S3的处理流程。

首先，在转子轴1的表面上彼此相对地设置了具有与如上所述的剪切波斜角超声波探头21相同的折射角β和倾角γ的、两个纵波斜角超声波探头41和42。基于TOFD方法执行探伤(步骤S41)。

随后，在超声波探伤器100的屏幕上，A范围内的RF显示提供了如图23所示的波形。因此，可得到侧面波的波束路径长度L_L、衍射波的波束路径长度L_D、背面回波的波束路径长度L_B(步骤S42)。

最后，根据各个波束路径长度L_L、L_D、L_B、以及计算公式(10)确定缺陷深度D。

因此，TOFD方法的使用实现了槽燕尾部分3中的大缺陷的深度被准确地确定。

如上面详细说明的一样，经过槽角确定S1、槽燕尾部分探伤S2、以及缺陷深度测量S3，本实施例实现了对于涡轮发电机转子轴的槽燕尾部分有效地执行超声波测试。

本领域技术人员应当已经明确了其他的优点和修改。因此，本发明的更广泛的方面并不局限于这里示出的和说明的特定细节和代表性实施例。相应地，在不脱离由所附的权利要求书及其等同范围限定的普遍创造性概念的精神或范围的前提下，可以作出各种修改。

Claims (7)

1.一种探伤测试方法，应用于涡轮发电机转子轴的槽燕尾部分，其特征在于，该方法包括：

角度确定步骤(S1)，使用可变角超声波探头确定所述槽燕尾部分的槽角；

探伤执行步骤(S2)，基于角度确定步骤(S1)中的确定结果，使用斜角超声波探头或相控阵探头执行探伤以检测出槽燕尾部分中的缺陷；以及

缺陷深度测量步骤(S3)，当探伤执行步骤(S2)中检测到任何缺陷时，使用斜角超声波探头测量该缺陷距离槽燕尾部分表面的深度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述角度确定步骤(S1)包括：基于超声波入射角和波束路径长度，计算槽燕尾部分的槽角和距离转子轴外圆周表面的槽燕尾部分的深度，在所述超声波入射角和所述波束路径长度下，由转子轴的外圆周表面上安装的纵波可变角超声波探头发射的并且随后被槽燕尾部分反射的超声波束所对应的反射回波具有最大的振幅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述探伤执行步骤(S2)包括：将超声波束被缺陷反射的反射角调节为预定角度或是落入预定范围内。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述探伤执行步骤(S2)包括：基于所述反射角，调节超声波入射角和对应于一角度的倾角，该角度是从转子轴的深度方向上看去的、连接超声波束入射到转子轴的外圆周表面上的入射点和缺陷处的反射点的连线与连接所述入射点和另一点的轴线之间的角度，所述另一点是在缺陷反射点处的槽燕尾部分的表面上的法线与转子轴的外圆周表面相交的点。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，

所述探伤执行步骤(S2)包括：使用相控阵探头对槽燕尾部分执行扇形扫描。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，

所述缺陷深度测量步骤(S3)包括：当所述探伤执行步骤(S2)中检测到的缺陷大小是小于预定值时，利用缺陷的深度和来自缺陷的反射回波的振幅之间的关系，通过振幅方法测量缺陷的深度。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，

所述缺陷深度测量步骤(S3)包括：当所述探伤执行步骤(S2)中检测到的缺陷大小是大于或等于预定值时，通过衍射波时差(TOFD)方法来测量缺陷的深度。

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