1.1机组概况

某火电厂2号汽轮机为国内制造生产的330MW亚临界一次中间再热、单轴三缸双排汽、双级可调整抽汽、湿冷凝汽器机组，铭牌出力330MW，主蒸汽额定压力16.7 MPa，主蒸汽额定温度537 ℃；再热蒸汽额定压力3.25 MPa，再热蒸汽额定温度537 ℃。

1.2 汽轮机联轴器螺栓孔情况[1]

2号汽轮机在技术改造时对汽轮机大轴整体进行了更换，包括高中压转子联轴器螺栓。在一年多的运行时间内发生两次联轴器螺栓断裂事故，同时造成高压侧联轴器螺栓孔7个开裂、中压侧联轴器螺栓孔11个开裂，部分螺栓孔开裂情况如图1所示，部分螺栓孔裂纹打磨清除干净后的状况如图2所示。为了消除隐患，确保机组安全运行，需研究与试验焊接修复工艺措施，为顺利完成高中压转子联轴器裂纹焊接修复提供依据。

图1 螺栓孔开裂 图2 螺栓孔裂纹打磨消除

2 开裂原因分析

根据技术人员测量总结可知，冷态解体时高压对轮比中压对轮高（高差为正），但从运行状态下2、3号轴承瓦温的数据看，中压转子3号轴承负荷过大，而2号轴承基本不承担载荷，表明高压对轮比中压对轮低（高差为负）。根据运行轴瓦温度及振动判断，高中压间轴承箱运行时向汽机侧膨胀受阻，停机后向电机侧收缩受阻，具体如图3所示。综上情况判断停机状态，高中压间轴承箱回缩受阻，导致轴承箱前仰，按设计对轮高差安装，则高中压对轮高差几乎为零。启动运行时轴承箱回复水平状态，2号轴承标高降低，高压转子对轮低于中压转子对轮，导致2号轴承负载减小，直至不承担载荷（脱空），瓦温异常偏低，3号轴承负载过大，瓦温异常偏高。根据2瓦上瓦磨损严重、2瓦上瓦受力较大、3瓦下瓦磨损严重及3瓦下瓦受力较大，可以初步推断，高压侧对轮受向下的压力，中压侧对轮受向上的支撑力，在转子高速旋转过程中，高中压联轴器螺栓受到频繁且巨大的剪切应力与拉应力，

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（a）热态膨胀受阻情况 (b)冷态收缩受阻情况

图3 高中压间轴承箱受阻情况

造成断裂；同时联轴器螺栓孔受到极大的冲击力出现裂纹。

3 （一）新颖性和创造性：

1．本实用新型专利涉及汽轮机转子用具技术领域，具体涉及一种汽轮机转子轮缘反T型槽裂纹的检测技术。

2、常规的超声波检测技术通常采用一个压电晶片来产生超声波，一个压电晶片只能产生一个固定的声束，其波束的传递是预先设计选定的，并且不能变更。相控阵检测技术的关键是采用了全新的发生与接收超声波的方法，采用许多精密复杂的、极小尺寸的、相互独立的压电晶片阵列（例如32、64甚至多达128个晶片组装在一个探头壳体内）来产生和接收超声波束，通过功能强大的软件和电子方法控制压电晶片阵列各个激发高频脉冲的相位和时序，使其在被检测材料中产生相互干涉叠加产生可控制形状的超声场，从而得到预先希望的波阵面、波束入射角度和焦点位置。超声相控阵采用的多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。因此对缺陷的定位、定量更为准确，缺陷显示直观，从而更准确的判断金属部件内部缺陷的位置、大小，为有效的消除设备隐患提供可靠的技术保障。检验原理如图1，相控阵显示如图2。

图1检验原理 图2 相控阵显示

3、 采用相控阵探头进行检测时，无需像普通单探头那样在检测部件两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着检测部件长度方向进行直线扫查，即可完成全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率非常高。

（二）实用性：

1、汽轮机转子轮缘反“T”型槽内部裂纹等缺陷, 装配完成后在在役阶段无法看见，见图3。由于受几何尺寸限制在役常规检验难度较大,有关技术规程未做明确要求与规定。相控阵技术是近几年快速发展起来的一项新型检测工艺，检验设备及配套的探头功能日趋完善，在各行各业的使用越来越广泛。此次采用相控阵无损检测技术，及时、准确的发现并及时消除了汽轮机转子轮缘反“T”型槽存在裂纹的严重设备隐患，本发明立足于汽轮机转子轮缘反“T”型槽内部裂纹等缺陷的无损检验，通过检验结论与实物解剖分析，证明相控阵无损检测技术对缺陷的定位、定量准确，完全满足现场检测工作需要，确保发电设备安全可靠运行。

2、相控阵检测无需像普通超声波检测在部件两侧频繁地来回前后左右移动，对移动距离有要求，特殊移动受限部位的检测，而相控阵探头沿着检测部件长度方向进行直线扫查，即可完成全体积检测，如图3。

图3 反“T”型槽结构示意图

3、通过专项检查，及时发现并消除了某电厂汽轮机低压转子轮缘反“T”型槽存在裂纹的严重事故隐患，及时避免了发生火灾及爆炸、造成设备严重损毁和上千万元的经济损失的事故，为设备安全稳定运行打下坚实的基础。

（三）文本质量：

1、汽轮机转子轮缘反“T”型槽内部裂纹等缺陷, 装配完成后在在役阶段无法看见，由于受几何尺寸限制在役检验难度较大,有关技术规程未做明确要求与规定。相控阵检测技术的关键是采用了全新的发生与接收超声波的方法，采用许多精密复杂的、极小尺寸的、相互独立的压电晶片阵列（例如32、64甚至多达128个晶片组装在一个探头壳体内）来产生和接收超声波束，通过功能强大的软件和电子方法控制压电晶片阵列各个激发高频脉冲的相位和时序，使其在被检测材料中产生相互干涉叠加产生可控制形状的超声场，从而得到预先希望的波阵面、波束入射角度和焦点位置。超声相控阵采用的多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。从而更准确的判断金属部件内部缺陷的位置、大小，为有效的消除设备隐患提供可靠的技术保障。

2、相控阵技术是近几年快速发展起来的一项新型检测工艺，检验设备及配套的探头功能日趋完善，在各行各业的使用越来越广泛。此次采用相控阵无损检测技术，及时、准确的发现并及时消除了汽轮机转子轮缘反“T”型槽存在裂纹的严重设备隐患，本发明立足于汽轮机转子轮缘反“T”型槽内部裂纹等缺陷的无损检验，通过检验结论与实物解剖分析，证明相控阵无损检测技术对缺陷的定位、定量准确，完全满足现场检测工作需要，确保发电设备安全可靠运行。

3、某电厂对2台机组汽轮机低压转子对叶轮轮缘反T型槽进行相控阵技术进行检查，发现其中4级进、出汽侧反T型槽内壁外部端角整圈存在裂纹缺陷反射信号，试验人员根据检验结论进行了实物解剖试验，验证相控阵技术检验的准确性。如其中1级叶轮轮缘反T型槽相控阵显示缺陷位置见图4，裂纹自身高度约16mm。为了进一步对缺陷定位、定性，为下一步检查工作提供可靠的依据，对这一级叶轮轮缘反“T”型槽进行解剖进一步检查，MT检测发现轮缘反“T”型槽内侧两直角处均存在裂纹，裂纹最深约7.5mm，具体见图5，缺陷实际存在情况与相控阵检测情况完全吻合，定性定位基本准确。



图5 相控阵缺陷显示 图5 实际解剖缺陷显示

4、通过专项检查，及时发现并消除了某电厂汽轮机低压转子轮缘反“T”型槽存在裂纹的严重事故隐患，及时避免了发生火灾及爆炸、造成设备严重损毁和上千万元的经济损失的事故，为设备安全稳定运行打下坚实的基础。

5、相控阵无损检测技术是一项可行的无损检测方法，完全满足现场检验工作需要，除进行汽轮机转子轮缘反“T”型槽在役检验外，还具有进一步推广使用的价值，可以进行螺栓、焊缝、叶片、叶根、锻件等的无损检验，在部件结构尺寸已知的前提下，缺陷可以直观地显示，对缺陷的定位、定量更为准确，减少漏判、误判。由此可见相控阵无损检测技术可以有效地发现隐蔽缺陷，为设备安全运行提供有力的保障。

（一）专利运用：

本实用新型专利涉及汽轮机转子用具技术领域，具体涉及一种汽轮机转子轮缘反T型槽裂纹的检测技术。

1、第1台机组汽轮机低压转子轮缘反“T”型槽检验情况与解剖结果

第1台机组汽轮机低压转子对叶轮轮缘反T型槽进行相控阵超声波探伤检查，发现第21级进、出汽侧反T型槽内壁外部端角整圈存在裂纹缺陷反射信号，相控阵显示缺陷位置见图6，裂纹自身高度约16mm。为了进一步对缺陷定位、定性，为下一步检查工作提供可靠的依据，在东汽厂对去掉的第21级叶轮轮缘反“T”型槽进行解剖进一步检查，MT检测发现轮缘反“T”型槽内侧两直角处均存在裂纹，裂纹最深约7.5mm，具体见图7，缺陷实际存在情况与相控阵检测情况完全吻合，定性定位基本准确。



图6 相控阵缺陷显示 图7 实际解剖缺陷显示

2、第2台机组汽轮机低压转子轮缘反“T”型槽检验情况与解剖结果

（1）第20级叶片叶轮轮缘反“T”型槽进行了常规超声波和相控阵超声波探伤检查，发现出汽侧反T型槽内壁外部端角断续整圈存在裂纹缺陷反射信号，其中裂纹自身高度最大处约12mm。进汽侧反“T”型槽内壁外部端角5段区域（长度约为50mm～330mm）存在裂纹缺陷反射信号，裂纹自身高度约8mm。第20级叶轮轮缘反“T”型槽出汽侧裂纹最大显示见图7所示。为了进一步对缺陷定位、定性，为下一步检查工作提供可靠的依据，对去掉的第20级叶轮轮缘反“T”型槽进行解剖进一步检查，MT检测发现轮缘反“T”型槽内侧两直角处均存在裂纹，裂纹最深约10.5mm，具体见图8，缺陷实际存在情况与相控阵检测情况完全吻合，定性定位基本准确。



图7 相控阵缺陷显示 图8 实际解剖缺陷显示

（2）第21级叶片叶轮轮缘反T型槽进行了常规超声波和相控阵超声波探伤检查，发现进、出汽侧反T型槽内壁外部端角断续整圈存在裂纹缺陷反射信号，其中进汽侧裂纹自身高度最大处约10mm。第21级叶轮轮缘反T型槽出汽侧裂纹最大显示见图9所示。为了进一步对缺陷定位、定性，为下一步检查工作提供可靠的依据，对去掉的第21级叶轮轮缘反“T”型槽进行解剖进一步检查，MT检测发现轮缘反“T”型槽内侧两直角处均存在裂纹，裂纹最深约10.5mm，具体见图10，缺陷实际存在情况与相控阵检测情况完全吻合，定性定位基本准确。



图9相控阵缺陷显示 图10 实际解剖缺陷显示

（3）第22级叶片叶轮轮缘反T型槽进行了常规超声波和相控阵超声波探伤检查，发现进、出汽侧反T型槽内壁外部端角断续整圈存在裂纹缺陷反射信号，其中进汽侧裂纹自身高度最大处约6mm。第22级叶轮轮缘反T型槽出汽侧裂纹最大显示见图11所示。为了进一步对缺陷定位、定性，为下一步检查工作提供可靠的依据，对去掉的第22级叶轮轮缘反“T”型槽进行解剖进一步检查，MT检测发现轮缘反“T”型槽内侧两直角处均存在裂纹，裂纹最深约5.5mm，具体见图12，缺陷实际存在情况与相控阵检测情况完全吻合，定性定位基本准确。



图11 相控阵缺陷显示 图12 实际解剖缺陷显示

3、通过对2台机组的检查，及时发现并消除了汽轮机低压转子轮缘反“T”型槽存在裂纹的严重事故隐患，及时避免了发生火灾及爆炸、造成设备严重损毁和上千万元的经济损失的事故，为设备安全稳定运行打下坚实的基础。同时根据汽轮机转子轮缘反“T”型槽检验结论与实物解剖结果综合分析可以看出，相控阵无损检测技术针对于汽轮机转子轮缘反“T”型槽是一项可行的无损检测方法，完全满足现场检验工作需要，除进行汽轮机转子轮缘反“T”型槽在役检验外，还具有进一步推广使用的价值，可以进行螺栓、焊缝、叶片、叶根、锻件等的无损检验，在部件结构尺寸已知的前提下，缺陷可以直观地显示，对缺陷的定位、定量更为准确，减少漏判、误判。由此可见相控阵无损检测技术可以有效地发现隐蔽缺陷，为设备安全运行提供有力的保障。

4、本实用新型专利的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

（二）专利保护：

此专利2017年12月获得国家知识产权局实用新型专利授权，专利权自授权公告之日起生效，大唐甘肃发电有限公司西固热电厂按专利法及其实施细则规定缴纳年费，专利权期限为10年。

（三）制度建设及条件保障和执行情况：

大唐甘肃发电有限公司西固热电厂按照科技成果申报与管理制度进行专利的运用及保护。本实用新型专利有益效果为：便于实现实时检测，操作简便，工作效率高，节省时间，安全可靠。