[发明专利]用于涡轮机和发电机转子孔的相控阵超声波检测系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及超声波无损测试，更具体地说，涉及一种相控阵超声波测试系统和方法，用于检测和/或检查发电器材和其它工业器材。特别地，本发明涉及一种相控阵超声波测试系统和方法，用于检测和/或检查诸如涡轮机和发电机转子孔的涡轮机和发电机部件的不连续性。

背景技术

在本领域中已知，日常检测用于发电的蒸汽涡轮机和发电机以检验不连续性。在比如涡轮机和发电机的发电器材上执行转子孔检测。这些检测通常使用多种常规方法来实施，比如超声波检测和涡流检测。超声波检测用于检测围绕孔的转子的体积内部区域，而涡流检测用于检测孔表面。其它方法，比如视觉和磁粉检测，已成功用于检测所述孔，但是这些方法中的一些仅对与孔相交或十分靠近孔的不连续性敏感，结果仅产生材料的二维视图和任何检测到的不连续性。

这些检测的目的是确定瑕疵或不连续性在转子体积内的存在。根据这些检测获得的结果用于评估部件的状况和完整性。对部件的评估基于瑕疵或不连续性的特性，比如尺寸、方位和位置。检测技术及由此获得的数据的精度和准度越大，用于确定部件状况的评估越可靠。希望标识不连续性以避免前进到危害部件完整性和潜在的部件故障的程度。这样的部件的突然灾难性故障的后果是严重的。然而，在一些情况下，在分析中并入大安全边际，以补偿检测数据的准度和分辨率的缺失。虽然该方法是安全的，但是其是无效的，因为部件实际上可安全操作的时间超出保守评估所标识的时间。

用于目前使用的涡轮机和发电机转子的典型制造过程包括锻造过程，该锻造过程将杂质掺入锻件的中心。可通过钻出一孔(例如钻孔)来穿过转子的中心而去除杂质。钻孔直径的大小通常与转子中心线附近的杂质的数量和位置有关。杂质数量越多，所钻出的孔的直径越大。尽管钻出钻孔是去除大部分杂质的方法，但是钻孔在转子操作期间会受到应力，这会导致转子材料中的不连续性。此外，残余在孔区域(体积)外部的其它杂质或夹杂物可在服务相关应力之下逐步发展，并可能导致故障。

常规超声波检测方法包括使用一个或多个换能器将高频率声波施加到正受测试的结构。换能器通常包括压电晶体元件，该压电晶体元件由电压激励，以在结构中引起超声波。当超声波与某些具有与传播介质的阻抗明显不同的阻抗的事物(例如，空隙、裂纹或其它缺陷)交互作用时，一部分超声波反射或衍射回产生超声波的源头。对返回的超声波模式的检验和量化用于确定反射介质的特性。在该被称为转子孔声波检测的方法中，自动系统通常用于通过一些方便方法在转子孔内传输超声波换能器，换能器将声音(即超声波或波束)从转子孔表面引入转子材料，并朝向转子孔的外直径引导声音。超声波可适当地穿透转子材料，通过收集、处理和观察发生在锻件内的波的任何反射，人们可对材料的完整性略知一二。

在转子孔声波检测中，纵向超声波在径向方向上被引导；剪切超声波从孔表面顺时针和逆时针围绕转子成角度地被引导，剪切超声波还在沿转子长度的轴向方向上被引导。

标准超声波换能器可用于完成转子孔声波检测。例如，剪切波角度波束检测使用有机玻璃楔形件来使波束折射预定的固定角度。如果在检测期间需要其它的角度，那么移动换能器，改变楔形件以获得期望的折射角度。改变换能器和楔形件是费时的，并需要许多楔形件和换能器来扫过几个不同攻角。

相控阵超声波技术通常提供对多元件换能器(相对于常规超声波检测的单元件换能器)中的单独元件的计算机控制激励(例如，振幅和延迟)。压电复合元件的激励可产生聚焦的超声波束，并可经由软件修改波束参数，比如角度、焦距和焦点。由此，可实施计算机控制的波束扫描模式，以朝向感兴趣的区域引导或指引波束，并搜索转子孔中的裂纹和其它不连续性。

在特定已知的超声波测试系统中，换能器放置在涡轮机或发电机转子的外部，相控阵列用于从孔的外部向孔的内部进行检测。在另外的已知系统中，水被引入转子的内部，用于检测和检查涡轮机或发电机转子孔的换能器浸入水中。此外，在这些已知系统中，每个换能器定位成收集来自从换能器发射的波束的数据。波束在单个固定的预设定/预指定方向上发射出。可根据期望的方向重新定位换能器来改变换能器的方向。例如，在本文中先前所述的固定角度的楔形件可用于重新定位换能器，以在不同方向上发射波束。