水轮机活动导叶缺陷的检测方法及精准定位技术研究

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1.
2.
国能大渡河瀑布沟水力发电总厂,四川雅安 625304;2.国家能源集团科学技术研究院有限公司成都分公司,四川成都 610000.
3.河海大学,江苏南京 211100)
摘要:活动导叶是水电机组重要的能量控制设备之一,其工作环境为恶劣、多变流体,由于振动、真空以及大波动调节引起的动应力等均会引起导叶出现缺陷。

尤其是导叶内部和隐藏遮盖部位的内部缺陷,在导叶不取出的调节下很难检测出来。

本文主要结合笔者多年在水电厂运转设备制造及设计及安装、调试以及维护中所获得的经验,对导叶内部缺陷检测技术和位置标定进行了探索,提出了采用超声相控阵技术对导叶内部缺陷进行定位,以及相控阵探头的移动位置进行坐标标定的方法,并对典型技术进行了介绍,能为从事水电站技术人员对导叶健康运维提供一定启发和借鉴。

关键词: 活动导叶; 缺陷;超声相控阵; 定位; 运维
0引言
水轮机活动导叶是水电机组重要的导水机构,是水流能量的核心控制设备之一,其质量可靠性、运行稳定性对机组安全稳定、调节性能以及电厂安全稳定运行等影响巨大。

国内大型水电站机组活动导叶多为砂型铸造件,外表面多不规则变截面,为异型件,且活动导叶已大型化。

机组在运行和平常检修时,上、中、下轴颈均埋藏在轴套中,无法从轴颈外部检测。

只能在机组大修全部解体方能从活动导叶外部进行无损检测,但一般水电机组大修周期需6-8年,为了及时掌握活动导叶健康状况,本文提出一种在机组运行或平常临时检修,快速准确的对活动导叶健康监测的和定位方法。

1基于相控阵技术的缺陷检测
超声相控阵探头是由多个压电晶片按一定规律分布排列组成,然后逐次按预先设定的延迟法则激发各个晶片,所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面,能有效地控制超声波声束(波阵面)的形状和方向,实现超声波波束扫描、偏转和聚焦。

它为确定工件不连续的形状、大小和方向,比单个或多个探头系统具有更强大的能力。

1.1 纵波和横波探头
超声相控阵探头是由多个压电晶片按一定规律分布排列组成,然后逐次按预先设定的延迟法则激发各个晶片,所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面,能有效地控制超声波声束(波阵面)的形状和方向,实现超声波波束扫描、偏转和聚焦。

活动导叶为铸造件,晶粒粗大,超声波衰减严重,且导叶大型化,增大了声束的声程,更加剧了超声波能量的损失。

因材质衰减系数与超声波频率成正比关系,考虑以上因素,选用的低频探头以减小材质衰减,多晶片和大晶片探头以增加超声波的能量。

纵波检测时,相控阵可采用电子扫查方式。

相对纵波检测,横波面临着波长更短,衰减更严重,且横波检测声程更大,声程可达600mm,更加剧了超声波的衰减。

因材质衰减系数与超声波频率成正比关系,考虑以上因素,选用的低频探头以减小材质衰减,多晶片和大晶片探头以增加超声波的能量。

横波检测时,相控阵可采用扇形扫查方式。

1.2纵波和横波测量
(1)纵波声速可在活动导叶具有代表性的轴段上,相当于大平底面实心圆柱底面,利用多次底波测量;也可以利用对比试块测量,因每个活动导叶不同位置制造工艺不同而声速略有差异,对比试块不具备每个活动导叶不同位置声速的代表性,需选取不同活动导叶具有代表性的位置制作一组对比试块。

因材料引起超声波衰减的因素是晶粒散射和介质吸收,未涉及扩散衰减。


于铸件的活动导叶而言,材料衰减系数等于散射衰减系数as(公式5)和吸收衰
减系数和。

介质的吸收衰减与频率成正比,对于铸件,材料晶粒较粗大时,若采用较高
的频率,将会引起严重衰减,视波屏出现大量草波,信噪比明显下降,超声波穿
透能力显著降低,可探性将下降。

(2)横波主要检测活动导叶中与轴表面相垂直或与轴表面存在较大夹角的
平面型缺陷以及体积型缺陷。

活动导叶材料的横波可探性可通过比较参考反射体回波(活动导叶截面突变
处固有回波)和信噪比来评价,评价应选择活动导叶具有代表性的截面突变位置,参考回波高度至少高出噪声信号6dB。

在活动导叶轴光杆处检测面临声程大,衰减严重,信噪比下降等困难,可考
虑在活动导叶瓣体侧辅助检测,在瓣体上检测有声程小的优势。

因瓣体外形不规
则呈异形件,探头只能放置在瓣体的迎水面和背水面扫查,剩余约有1/3的位置
无法放置探头,故导叶轴2/3区域可通过此方案辅助检测。

1.3横波测量缺陷的判定
(1)在基准灵敏度下,发现下列两种情况之一即作为缺陷:缺陷的第一次
反射波(F1)波幅高于距离-波幅曲线。

底面第一次反射波(B1)波幅降低量
≥12dB。

不论缺陷回波高低,认为是线状或片状缺陷者。

缺陷当量和长度的测量:
1)当缺陷面积小于声束直径时,利用对比试块,采用当量法来判定缺陷当
量大小。

2)当缺陷面积大于声束直径时,利用缺陷反射波判别缺陷,用缺陷6dB法
测定缺陷面积,当缺陷波过小或消失时,采用底波降低12dB作为缺陷边界测定
缺陷面积。

3)在对活动导叶轴周向检测时,探头移动的距离不再是缺陷的指示长度,如图1所示,外圆周向测长时,缺陷的指示长度Lf为:
(9)
式中:L—探头移动的外圆周长,mm;
R—活动导叶的半径,mm;
X
—缺陷的声程,mm;
f
图1 活动导叶周向检测指示长度修正示意图
(2)在基准灵敏度下,缺陷的反射波(F1)波幅高于距离-波幅曲线,即作为缺陷。

1)如图2所示,在活动导叶中轴颈3.81°大小头上检测时,应对缺陷位置修正。

利用探头至缺陷的声程不变,声束角度增大3.81°时利用公式11、12对缺陷实际位置定位。

图中H、L均可采用公式求出。

图2缺陷位置修正示意图
2)缺陷定位宜可建立活动导叶三维影像模型,导入相控阵操作系统,进行实时定位。

或可以在检测后期通过软件辅助定位。

3)活动导叶检测数据也可通过编码器进行数据记录,后期缺陷数据分析。

4)探头放置在活动导叶瓣体上检测时,因瓣体和活动导叶轴不在同一坐标上,缺陷显示的是相对于瓣体的深度数据,但缺陷记录要相对于导叶轴来标记,故需对缺陷位置数据修正。

如图3所示。

图3瓣体检测缺陷深度修正示意图(3)缺陷当量和长度的测量
在对活动导叶轴周向检测时,探头移动的距离不再是缺陷的指示长度,由4.7.2条所示进行指示长度修正。

裂纹高度的测量,利用裂纹上下端点衍射波测量
2相控阵探头的定位
检测缺陷的探头的相对位置需要进行检查。

定位方法为,通过一种控制器作为定位系统核心数据采集、计算单元,结合超声波无线传感器,对被探头进行扫描,可以自动完成探头的坐标标定所需的数据测量、数值计算及画面呈现。

定位方法配有先进的超声波无线传感器以及特定制的工装,该传感器通过通信或模拟量方式与控制器连接,测量数据在控制器内部进行存储、计算与输出,然后经过PCC与人机界面通过通信,完成采集、计算、显示、上送等功能。

同时,人机界面可以对测量基准进行参数设定、量程标定。

2.1 探头定位原理
被测探头定位方法原理如图4示,四方形代表探头C的活动范围,在某一确定的边界,设置基准点A和基准点B,两处分别按照一支超色波传感器。

探头C 在一定范围内移动。

基准点A处的传感器,通过超声检测原理,检测AC之间的距离为b;基准点B处的传感器,通过超声检测原理,检测BC之间的距离为a。

基准点A和基准点B之间的距离可知,定义为c。

这样,分别以基准点A和基准点B为圆心,以b和a为半径画圆。

这样,两圆的最多交点为两个,其中落在区域范围内的交点1,即可确定为探头C的精确位置。

图4探头测量、定位的原理示意图
2.2 探头定位的电气设计
定位方法的电气系统原理如图5所示,。

传感器采集探头位置,以模拟量方
式输入到控制器的模拟量模块AI4622,数据经过转换和计算,通过通信与触摸屏
联系。

同时,计算后的结果数据也可以以MODBUS485通信方式送给其他系统。


源系统给PCC控制器、人机界面、传感器提供电源。

图5系统电气系统原理图
2.3 数据采集、计算方法
电气系统采用控制器的模数转化、滤波、软件语言编程等技术,实现对设备
进行位置的测量、提取、分析、计算、传输等功能,人机界面采用MCGS公司产品,用于画面组态,主要功能为参数设置和位置形象展示。

其具体处理过程可表
示为如下步骤:
(1)对数据的采集标定。

根据每个传感器的量程,在界面上进行数值标定。

传感器对探头的测量位置Y
1
可用下公式计算
Y
1=(L_max1-L_min)*(X
1
-semp_min)/(semp_max-semp_min);式中,X
1
为实时
采样值。

(2)根据上述,可获知Y
1和Y
2
的具体数值大小,如上图4三角形△ABC,AB
表示为传感器安装位置基点,C表示被测对象探头位置。

即可知道b=Y
1, a=Y
2。

这样分别以b和a为半径画圆,其交点在AB基准线之(在活动范围内的)上的即为被测对象的精准位置。

假设以B点为视角,来描述C的位置,只需求出∠ABC的大小以及a的长度即可。

a的长度以如上可知,其中∠ABC的角度大小可采用如下公式计算。

cos∠ABC=(a2+c2-b2))/2ac
由此可得:∠ABC=arc(cos∠ABC)
在获知角度和边长的前提下,也可以以确定的B点位置来标定和定量描述探头C点的坐标。

3难点和亮点
水电站活动导叶轴颈长期在交变载荷的情况下运行,工作环境恶劣,从而导致轴径开裂失效。

活动导叶为铸钢件,对超声波声束衰减严重(扩散、散射和吸收衰减),主要为扩散衰减和散射衰减。

大型水电机组的活动导叶呈大型化,超声波声程增大,需增加超声波能量和克服声能的衰减,且因活动导叶大型化,其制造工艺、组织均匀性等特性不尽相同,对声场的传播特性略有差异。

活动导叶外表面多为不规则变截面,导致超声波回波杂乱,难以判别缺陷回波和活动导叶变截面引起的固有回波,增加了缺陷的判别难度。

传统单一晶片探头的A型显示超声波较难于解决。

本文提出了一种采用新的探测技术、新的工艺以及新的探头的二维平面定位方法,可以完成对导叶(不掉出)内部以及隐藏区域的内部的缺陷检测、位置确定和数据展示。

4结语
本文介绍了相控阵技术,采用其技术的探头对导叶缺陷的横波和纵波检测方法,以及导叶内部缺陷的定位方法。

以及探头自身的位置定位。

提出了采用2个无线传感器对平面上移动的对象进行数据采集、计算。

并对对测量对象进行坐标确定。

并通过控制器和人机界面的处理,可以形象地对被测量对象的位置进行展示。

人机界面具备参数设置、信息显示、存储等功能。

参考文献
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2.
刘吉康, 凌明芝. 导叶裂纹原因分析及处理方法. 四川电力技术, 2006年10月
3.
余斌, 何媛媛. 声发射技术在水轮机活动导叶裂纹监测中的应用.水电与新能源, 2019年第9期
敬燕飞(1987—),男,本科,高级工程师,从事水电厂生产、设备及技术管理工作。

邓韬(1982—),男,本科,高级工程师,从事水电厂设备运行、检修、试验、管理工作。

作者联系方式:姓名:敬燕飞
邮寄地址:四川省雅安市汉源县乌斯河镇瀑电总厂
邮政编码: 625304
·投稿栏目· 作者① , 等 : 文章题

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