水轮机不锈钢叶片超声波探伤试验研究

　　长江葛洲坝水电站试生产的170MW水轮机不锈钢叶片需进行超声波探伤,该叶片重达40t,最厚处近500mm,最薄仅40mm,曲面和变截面制造,给实际探伤带来不少困难。探伤设备采用西德USIP-11型超声波探伤仪,探头型号为B1S-N和B2S-N,探伤后取其中缺陷分布严重的两个区域制作成试块C_iv和,用以测试光面与毛面、探伤面与底面平行度以及频率对测量结果的影响。

　　1　试块对比测试结果

　　表1为C_iv和试块在不同测试条件下的声能损失结果,表2为试块上缺陷的测试面积与实际面积的比较。

　　2　探测情况分析

　　2.1　表面粗糙度的影响

　　探头的电声能转换是超声波能量的发射源,若干个点声源构成超声束传入工件内部,这对被探工件的表面粗糙度有一定的要求,也与探头频率、保护膜厚度及声阻抗有关。表面粗糙度越小,使用高频探伤时散射(漫反射)越小。

　　由于叶片是曲面和变截面铸件,表面经砂轮打磨后探伤,打磨面的粗糙度很差,呈凹凸不平的波浪形。探头与表面接触不良,入射声波很大一部分在表面被散射,因此进入工件的超声波能量减弱。经多次测量发现在粗糙度为3.2μm的光面与毛面上,C_iv试块相差4dB,试块相差14dB,所以可认为光面与毛面的入射声能相差4~14dB。

　　2.2　叶片平行度的影响

　　叶片为曲面和变截面,其背面和正面不平行,平行度随截面尺寸沿叶片表面母线变化。探伤时超声波经表面入射进入底面,再由底面反射回探伤面被探头 接收。从几何声学来说,主声束在入射和反射面应垂直于表面进行传播。由于叶片探伤面和底面不平行,超声波传播路线的方位变化大,故声能损失较大。

　　在CⅠ试块上,不论是光面-光面或毛面-毛面,还是采用不同频率探头,对比测试时的声能损失均为30dB。在CⅡ试块上测得损失为14~18dB。因此,被探伤面与底面的不平行导致的超声波能量损失为14~30dB。

　　2.3　频率的影响

　　由超声检测理论知,1MHz探头波长为2MHz探头的两倍,由于探伤面与底面的粗糙度差,使用低频探头的入射声能大,反射和散射小。现使用1MHz和2MHz探头分别在C_iv和试块上不平行的光面-毛面及平行的光面-光面进行测试。C_iv试块在不平行的正面与背面测试是12dB,两面加工到平行且粗糙度为3.2μm时是6~12dB。试块在不平行的毛面测试为16dB,两面平行且粗糙度为3.2μm时是10~12dB。因此,不同频率导致的声能损失为6~12dB。

　　2.4　内部组织对探测的影响

　　叶片是铸件,晶粒为原始铸态组织,由于横截积大,厚簿变化差异大,导致晶粒粗大不均匀,且偏析区也较大,对超声波衰减不一样。超声波在铸件中传播时衰减大,包括扩散衰减和材料组织衰减。