工业内窥镜在汽轮机制造过程中的应用

汽轮机零部件数量众多, 多数处于高温高压的恶劣环境, 对材料本身性能要求高, 对材料的表面缺陷要求控制严格。在不同工况下, 工件将承受不同的拉伸、剪切、弯曲及疲劳应力等, 表面缺陷就可能成为应力的集中区, 扩展成为裂纹, 甚至成为断裂的起裂点, 所以要尽早、及时发现并消除这类缺陷, 方可保证机组安全运行。此外, 承载运输油、汽的零部件如调速保安系统部件、通流部分部件、油系统以及蒸汽系统部件, 必须满足JB/T4058—1999《汽轮机清洁度》要求, 避免因为异物进入油、蒸汽通道影响机组运行安全。如在电厂机组运行前冲管等工艺措施不能清除的一些附属物或氧化物, 在运行中因冲刷、振动剥落后, 直接或破坏各种滤网后随着高温高压的蒸汽进入机组通流部位, 会先后对喷嘴叶片、动叶片, 甚至转子造成不可逆的破坏, 严重的可能出现安全事故。

肉眼无法对机组中腔室、管道、装配等隐藏部位表面进行直观检测, 而工业内窥镜因其体积小、便于携带、观测距离长、直径小、直观、可定量等特点在此类检测中发挥了重要的作用。

内窥镜基本知识

目视检测作为无损检测的一种形式, 而工业内窥镜的应用, 打破了肉眼的限制, 使目视检测视野可达管道、腔体、组装部套内部, 可以对裂纹、起皮、拉线、划痕、凹坑、凸起、斑点、腐蚀、未焊透、焊漏、多余物、装配缺陷等进行检测, 一些先进的设备已经可以达到色温8000K以上, 接近日光色温, 实现色彩的最佳还原, 使呈现的缺陷更精确, 更好识别。内窥镜具备测量缺陷的能力, 如测量缺陷的长度和面积等数据。随着特殊性能材料、照相摄像技术、计算机储存及处理、锂电池、光学镜头技术、显示器分辨率等技术的全面提高, 内窥镜也逐步升级, 具备更精确、更方便、工作范围更广、定量测量更具可信度的优势。内窥镜探头如图1所示。

图1 内窥镜探头

内窥镜在各个制造环节中的应用

2.1 科研

核能发电汽轮机用转子由于体量庞大, 很难得到合格的整锻产品, 所以目前都是由锻成不同部分的轮盘和轴头焊接而成, 这样可以避免整锻转子的锻件缺陷, 又减轻了转子的重量,性能得到提升。汽轮机在起机、关机、工况转变过程以及运行中, 转子承受了复杂的动载荷和变载荷, 缺陷会被复杂的工作环境放大, 加速了焊接接头的疲劳进程, 使缺陷快速扩展成裂纹等极具危害的形态, 造成重大事故。正因为这样, 先进的焊接转子制造技术 (包括检测技术) 长期被国外垄断。东方汽轮机有限公司成功研制出国内首根核电用转子。因为不同部分之间有特殊的腔室, 在打底焊接时, 无法观测到焊缝背面成型情况, 常规的无损检测也很难对焊缝背面成型情况进行直观判断, 所以引入了工业内窥镜的检测, 将此处焊缝背面表面形态直观地展现出来, 在焊缝背部成型、背部焊道尺寸控制以及表面缺陷排除方面做了出色表现。给技术人员提供了有效数据的支持。我公司还自主设计制作了特殊工装, 解决了探头软管进退问题, 对内窥镜探头进行物理局部降温, 克服了对内窥镜工作温度的限制。如图2为内窥镜拍摄的焊接转子焊缝背面成型图。

图2 焊接转子焊缝背面成型图

2.2 锻造

汽轮机中常用内窥镜检测的锻件:管道、轴承座腔室等。以无缝钢管为例, 无缝钢管是通过穿孔法和高速挤压法得到的。

2.2.1 穿孔法

用穿孔机穿孔, 同时用轧辊滚轧, 用芯棒轧管机定径、压延、平整、成型。

2.2.2 高速挤压法

在挤压机中直接挤压成形, 这种方法加工的管材尺寸精度高。所以无缝钢管内孔中的主要表面缺陷有裂纹、折叠、分层和夹杂等。锻件常见缺陷形态见图3。

2.3 焊接

焊接的应用解决了锻件和铸件不容易做到的复杂结构, 所以在特殊管件和腔室结构上, 焊接结构受到设计的青睐。内窥镜对于肉眼不及的腔室及焊缝起到监测作用。汽轮机中常用内窥镜检测的焊接件有:管道、焊接转子、油箱、焊接空心叶片、焊接隔板腔室、低压加热器腔室、凝汽器腔室、轴承箱、齿轮箱、阀门等。

常见缺陷为:缩孔、夹渣、根部未焊透、表面氧化、飞溅、焊瘤、错边、根部收缩等。焊接常见表面缺陷形态见图4。

以焊接管为例, 先将经检测合格的板材卷成管形后, 再用自动焊焊接而成, 一般大口径管多用这种方法加工。由于板材已检测过, 所以焊接管常见缺陷为焊缝缺陷。

2.4 铸造

常见表面缺陷有:夹砂、残余物、毛刺、交错孔、气孔、裂纹及铸件热处理过程中的氧化皮等。缺陷的形态与焊接等工艺制造过程产生的缺陷类似。

主要零部件为:喷嘴室、精铸空心叶片等。

2.5 加工及仓储过程

加工及仓储过程中, 由于防护不当造成金属屑、填料、电焊条和残留焊条头、破布、垃圾等进入构件内部, 由于氧化产生鳞片、锈迹等, 常见的表面缺陷形态见图5。

2.6 精确测量

检测标准会对缺陷有一个容忍范围, 所以就需要对缺陷进行测量, 以便判断是否可以接受。内窥镜双目光学系统技术是利用三维测量原理, 内置软件把两路光学系统捕捉的两个分离图像进行立体重建。目前多采用两种技术:

(1) 双物镜、双图像传感器成像技术。

(2) 双物镜、单图像传感器分时成像技术。

图6为双目立体视觉数学模型, 图7为双物镜双图像法对缺陷深度和宽度的测量。

2.7 其他

在汽轮机制造过程中, 因为工装或者特殊部位的限制, 需要对隐藏部位进行目视确认。如水压试验、总装观测等。

2.8 运输及仓储中存在的问题

到达电厂的部套在仓储以及安装过程中, 产品可能会出现一定程度的损伤。如对某燃机缸本体进行检查时, 发现由于电厂的气候, 或者在仓储时防护不到位, 会出现很多问题:缸内锈蚀较为严重;缸体内部积水严重;缸体内存在杂物等。

图3 锻件常见缺陷形态

图4 焊接常见表面缺陷形态

图5 加工及仓储过程常见的表面缺陷形态

图6 双目立体视觉数学模型

3对制造的提升

根据形成的内窥镜数据库, 对汽轮机制造中各个环节出现的问题精确分析, 做到有的放矢, 对设计和工艺进行改进, 并在合适的工艺阶段进行检测、防护及预防。

图7 采用双物镜双图像法测量缺陷深度和宽度

3.1 清理

清理异物、锈蚀等可采用物理方法和化学方法及两者相结合的办法。物理方法如喷丸处理、强风吹扫、抛磨。化学方法 (酸洗槽) 为:采用硫酸、磷酸、盐酸 (浓度为8%~12%)进行酸洗。物理化学相结合的方法, 如在清理轴承管道时, 采用高温蒸汽带入酸性溶剂的方式进行高温酸洗。

3.2 防护

对管道、腔室等进行干燥防护:

(1) 放置蒙脱石类干燥剂。

(2) 喷防锈剂, 可用酒精将晶粒状固体 (FER-RO-GARD 100E, FERRO-GARD 100E) 溶解, 喷入防锈位置。然后用锡箔纸对所有管口或腔室空洞进行封闭处理, 最后盖上临时盖板防护。

3.3 预防

对用内窥镜检出的缺陷数据库, 做进一步的分析:

(1) 反馈到工艺, 如根据焊缝背面成型情况更改焊接工艺参数及焊接材料等。

(2) 在原始设计选材中, 压力不高的部位选用碳钢管道, 经检查发现经常出现锈蚀, 且不容易清理与防护, 为了保证清洁度, 可换成不锈钢管材, 这样检测和维护费用降低, 因此并没有增加实际成本。

(3) 更改更为合理的装配顺序, 调整内窥镜检测时间, 或增加检测点。

总结

文中列举了常见的缺陷类型, 经过长期缺陷数据收集分析形成典型案例, 给检测人员提供了参照, 作为判断对比依据。同时也在工艺改进、设计优化、生产等方面起到了积极的作用。所以内窥镜充分发挥了自身的检测优势, 在汽轮机制造中起到了重要的作用, 提高了生产效率, 降低了成本, 保证了机组效率和安全。