复合材料轴瓦结合状况的超声波检测

    电站汽轮机轴瓦一般采用在接触面浇铸锡基合金的方法来提高轴瓦的耐磨性,浇铸层的厚度一般在3~10 mm之间,该种合金的特点是耐磨性好但耐热性较差,因此要求合金层与钢质基体紧密结合,如有部分脱落或脱胎,则会导致传热不良造成轴瓦烧毁,影响汽轮机的安全运行。近年来电力系统已发生多起由于轴瓦烧损而导致停机的事故,对锡基合金与钢基体结合性检验已成为机组检修中的重要环节,一般称之为轴瓦脱胎检验。

    1　采用超声波检验的可行性

    汽轮机轴瓦脱胎检验一般采用渗透检验方法,但该种检验方法只能检验结合面侧面的结合情况,对内部肉眼不可见部分的结合状况不能检验,最有效的检验方法为超声纵波检验,但采用常规超声纵波检验方法存在以下难点:

    a.由于锡基合金在轴瓦上的浇铸层很薄,合金浇铸层厚度在直探头的近场区内,超声纵波在此范围内存在声压极大、极小值,不能在示波器上对反射体做出有规律的反映。常规直探头探伤存在始波占宽大、盲区大、难以识别近距离缺陷等问题,所以采用普通的直探头不能满足对汽轮机轴瓦结合层脱胎缺陷检查的要求。

    b.轴瓦钢基体与锡基合金材料的声阻抗差较大,因此在这两种材料的结合面上不论脱胎与否均会出现界面回波,从而给缺陷波的判断带来困难。

    针对上述问题采用特制的超声波探头并以现场常见的5 mm厚锡基合金例对结合面回波显示进行了计算。以下所有计算均以5 mm厚锡金为例,其它材料及厚度复合层检测方法可以根据其声学特性和厚度通过下述计算方法得到。

    1.1　探头制作

    针对以上提出的常规纵波探头近场区长、盲区大等问题,采用在探头端部加装一定长度有机玻璃透声楔的方法来解决,使探头近场区和盲区存在于透声楔内,进入工件后的超声波为可产生规则回波的超声纵波。鉴于锡金层的厚度,为了提高探伤灵敏度应采用较高频率探头,且由于一般轴瓦表面为曲面,所以可采用的探头直径不宜过大,根据现场实际情况一般采用2P10探头可满足要求,该规格探头在有机玻璃中的近场区长度为:

式中　F_s———探头晶片面积,mm²;

    λ———纵波波长,mm;

    c———有机玻璃中的纵波声速,m/s;

    f———纵波频率,MHz;

    r———晶片半径,mm。

    由式(1)可知,对于该种型号探头为了消除近场区的影响,需在晶片后加装长度大于18.3 mm的有机玻璃透声楔,本次检验采用20 mm有机玻璃透声楔。探头结构见图1。