CN115236202A - 一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统及方法，该系统包括超声探头、编码式扫查工装、校准试块和超声信号发射采集装置，该方法包括步骤：S501：将超声探头与编码式扫查工装配合并与超声信号发射采集装置连接；S502：通过校准试块对超声检测灵敏度进行校准和设置；S503：编码器扫查工装和超声探头配合进行扫查，并对发现的缺陷进行定位和定量。本发明通过采用常规超声探头和相控阵超声探头，以及编码式扫查工装和校准试块，实现了对透平轮盘拉杆螺栓沉孔裂纹缺陷的有效模拟以及全面、高效、可靠的检测；针对拉杆螺栓沉孔不同部位的检测特点，分别采用常规超声检测和相控阵超声检测技术，实现了对不同位置和走向缺陷的全面检测。
Description
技术领域
本发明属于超声检测领域，具体涉及一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统及方法。
背景技术
燃气轮机各级透平轮盘一般通过周向拉杆螺栓固定在一起，作为透平转子的主体并传递由透平叶片产生的扭矩。拉杆螺栓不仅要承受来自透平转子本身的重力产生的拉力以及预紧力，还要承受运行过程气流冲击力、振动应力等，使拉杆螺栓始终处于较高水平的应力状态。而拉杆螺栓的应力主要由拉杆螺栓螺母与透平轮盘沉孔部位结合面承受，因此造成透平轮盘沉孔部位应力高度集中，特别是拉杆螺栓沉孔的倒圆位置应力状态最为恶劣，容易在透平轮盘沉孔位置产生裂纹等破坏透平轮盘结构完整性的危害性缺陷。
发明内容
本发明的目的在于及时发现透平轮盘拉杆螺栓沉孔处的裂纹等危害性缺陷，提供了一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统及方法，通过采用常规超声探头和相控阵超声探头结合编码式扫查工装，实现透平轮盘拉杆螺栓沉孔裂纹等危害性缺陷的全面有效检测，提高检测的可靠性和检测效率。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，包括超声探头、编码式扫查工装、校准试块和超声信号发射采集装置；所述超声探头安装在所述编码式扫查工装上，所述超声探头与所述编码式扫查工装均与所述超声信号发射采集装置连接；
所述超声探头，通过所述编码式扫查工装耦合于透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位表面，受所述超声信号发射采集装置激励而发射超声波，并对所述透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位返回的超声波进行接收，将所述超声波转换为超声信号发送给所述超声信号发射采集装置；
所述编码式扫查工装，用于夹持所述超声探头，并对所述超声探头的位置和扫查速度进行记录；
所述校准试块，用于标定所述超声探头的分辨力和定位精度，并对所述超声探头的检测灵敏度进行校准；
所述超声信号发射采集装置，用于发射、接收及处理超声信号，并将超声信号通过图像化的方式展示出来。
本发明进一步的改进在于，所述超声探头包括常规超声探头和相控阵超声探头；
所述常规超声探头，用于从透平轮盘端面对拉杆螺栓沉孔缺陷进行检测，采用纵波直探头或小角度纵波直探头；
所述相控阵超声探头，用于从透平轮盘圆弧面对拉杆螺栓沉孔缺陷进行检测，采用线阵或面阵的横波相控阵超声探头。
本发明进一步的改进在于，小角度纵波直探头的入射角为5-8°；
纵波直探头或小角度纵波直探头的检测灵敏度低于相控阵超声探头检测灵敏度。
本发明进一步的改进在于，相控阵超声探头阵元数量不小于16。
本发明进一步的改进在于，所述编码式扫查工装包括轮式编码器和夹持装置；
所述轮式编码器，用于将所述超声探头的位置和扫查速度等信息转化为电信号，并将所述电信号传输给所述超声信号采集装置；
所述轮式编码器为1个，集成于所述编码式扫查工装的滑动轮之一上，所述滑动轮为4个，分别位置所述编码器扫查工装的四个角；
所述夹持装置，用于将所述超声探头固定在所述编码式扫查工装上，并确保其与待检测部位表面在扫查过程中良好耦合。
本发明进一步的改进在于，所述校准试块包括校准试块基体和刻槽；
所述校准试块基体的形状和外形尺寸与待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔相同，所述校准试块基体的材质、声速、声阻抗与待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔相同或相近；
所述刻槽加工在透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位，用于模拟易出现的缺陷形式、大小、位置和走向特征。
本发明进一步的改进在于，刻槽采用电火花加工方法加工，刻槽的走向垂直于或与所述拉杆螺栓沉孔轴向成设定夹角，且成设定夹角的刻槽缺陷如采用常规超声检测时，采用小角度纵波直探头进行检测；
成设定夹角的刻槽缺陷如采用常规超声检测时，应采用小角度纵波探头进行检测。
本发明进一步的改进在于，所述超声信号发射采集装置包括发射模块、采集模块和处理模块；
所述发射模块，用于发射一定重复频率的脉冲电信号，对所述超声探头进行激励使其产生超声波；
所述采集模块，用于接收所述超声探头返回的超声信号，并将其由模拟信号转化为数字信号并进行存储记录；
所述处理模块，用于对所述数字信号进行校准、滤波、降噪、变换等操作，并通过波形或图像形式显示出来。
一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测方法，该方法基于所述的一种燃气轮机压气机叶轮叶根槽相控阵超声检测系统，包括以下步骤：
步骤一：将超声探头固定在编码式扫查工装上，并将超声探头、编码式扫查工装与超声信号发射采集装置连接；
步骤二：将编码式扫查工装固定在校准试块待检测部位表面，并保证超声探头的良好耦合，通过超声信号发射采集装置激励超声探头产生超声波并对待检测部位的刻槽进行扫查并找到最高波，校准和设置超声检测的灵敏度；
步骤三：将编码式扫查工装和超声探头固定在透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位表面，推动编码式扫查工装带动超声探头进行扫查，在扫查过程中通过轮式编码器实时记录超声探头的位置及扫查距离，若待检测部位的反射回波超过基准，通过超声波的传播时间、检测角度等确定缺陷位置，并对缺陷进行定量。
本发明进一步的改进在于，步骤二中，如超声探头采用纵波直探头或小角度纵波直探头，则从待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔校准试块的端面进行校准和设置超声检测灵敏度，不使用编码式扫查工装；步骤三中，如超声探头采用纵波直探头或小角度纵波直探头，则从待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔端面进行扫查，不使用编码式扫查工装；
相控阵超声探头的聚焦方式采用投影聚焦方式，将投影聚焦位置设置在待检测部位附近。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统及方法，通过采用常规超声探头和相控阵超声探头，以及编码式扫查工装和校准试块，实现了对透平轮盘拉杆螺栓沉孔裂纹缺陷的有效模拟以及全面、高效、可靠的检测；针对拉杆螺栓沉孔不同部位的检测特点，分别采用常规超声检测和相控阵超声检测技术，实现了对不同位置和走向缺陷的全面检测。
附图说明
图1为本发明一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统的示意图；
图2为本发明一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统中超声探头示意图；
图3为本发明一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统中编码式扫查工装示意图；
图4为本发明一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统中校准试块示意图。
图5为本发明一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统中超声信号发射采集装置示意图；
图6为本发明一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测方法的流程图。
附图标记说明：
10-超声探头，101-常规超声探头，102-相控阵超声探头，20-编码式扫查工装，201-轮式编码器，202-夹持装置，30-校准试块，301-校准试块基体，302-刻槽，40-超声信号发射采集装置，401-发射模块，402-采集模块，403-处理模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
参照图1-6，本发明提供的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，包括超声探头10、编码式扫查工装20、校准试块30、超声信号发射采集装置40；其中所述超声探头10安装在所述编码式扫查工装20上，所述超声探头10与所述编码式扫查工装20均与所述超声信号发射采集装置40连接。其中，超声探头10通过屏蔽线缆与超声信号发射采集装置40连接，编码式扫查工装20通过固定于其四个滑动轮之一上的轮式编码器201对其扫查距离进行记录，轮式编码器201通过信号线与超声信号发射采集装置40连接。
在具体实施方式中，所述超声探头10通过所述编码式扫查工装20耦合于透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位表面，受所述超声信号发射采集装置40激励而发射超声波，并对所述透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位返回的超声波进行接收，将所述超声波转换为超声信号发送给所述超声信号发射采集装置40。需注意的是，此时所用的超声探头为相控阵超声探头102，所述常规超声探头101一般不用工装夹持进行扫查，而是采用手动方式在透平轮盘拉杆螺栓沉孔端面进行耦合并沿沉孔直径圆周进行扫查。所述常规超声探头101用于相控阵超声不可达位置的检测，对于相控阵超声可达位置应优先选用相控阵超声探头102进行检测。所述相控阵超声探头102对覆盖到拉杆螺栓沉孔部分待检测部位，而常规超声探头能对拉杆螺栓所有待检测部位全覆盖。
所述编码式扫查工装20通过磁吸方式固定在待检测部位表面。所述编码式扫查工装20用于夹持所述超声探头10，并对所述超声探头10的位置、扫查速度等进行记录，同时采用编码式扫查工装20也有利于提高检测效率。以GE公司的9F型燃机为例，其第一级和第三级透平轮盘分别由24根和18根拉杆螺栓拉紧而成为一个整体，在第一级和第三级透平轮盘上分别有24个和18个对应的拉杆螺栓沉孔。将编码式扫查工装20固定在第一级透平轮盘圆弧面并调整相控阵超声探头102的轴向位置使得发射的超声声束能扫查到沉孔待检测部位，以第一个沉孔为起点，推动编码式扫查工装20带动相控阵超声探头102沿着圆弧面顺时针或逆时针进行扫查，由于编码式扫查工装20通过四个滑动轮磁吸在第一级透平轮盘上，在检测过程中可以很好的保持住相控阵超声探头102轴向位置，使得扫查过程可以快速高效进行而不需要在每个沉孔处都调整相控阵超声探头102的轴向位置。在第一级透平轮盘24个拉杆螺栓沉孔扫查完之后，采用同样方式对第三级透平轮盘18个拉杆螺栓沉孔进行扫查。
所述校准试块30，用于标定所述超声探头10的分辨力、定位精度，并对所述超声探头10的检测灵敏度进行校准；
所述超声信号发射采集装置40，用于发射、接收及处理所述超声信号，并将所述超声信号通过图像化的方式展示出来。
如图2所示，本发明实施例中的超声探头10包括常规超声探头101和相控阵超声探头102；其中常规超声探头101用于从透平轮盘端面对拉杆螺栓沉孔缺陷进行检测，通常采用纵波直探头或小角度纵波直探头，主要用于相控阵超声不可达位置的检测，对于相控阵超声可达位置应优先选用相控阵超声探头进行检测，一般的小角度纵波直探头入射角为5-8°，中心频率为5MHz，其检测灵敏度一般低于相控阵超声探头检测灵敏度。相控阵超声探头102用于从透平轮盘圆弧面对拉杆螺栓沉孔缺陷进行检测，通常采用直接耦合横波检测方式，阵列形式为线阵或面阵，阵元数量一般不小于16，中心频率一般为2.5-5MHz。需要注意的是，所述相控阵超声探头102只能对覆盖到拉杆螺栓沉孔部分待检测部位，而常规超声探头101能对拉杆螺栓所有待检测部位全覆盖。
如图3所示，本发明实施例中的编码式扫查工装20包括轮式编码器201和夹持装置202；其中轮式编码器201用于将所述超声探头的位置和扫查速度等信息转化为电信号，并将所述电信号传输给所述超声信号采集装置40，轮式编码器201数量一般为1个，集成于编码式扫查工装20的滑动轮上，所述滑动轮数量一般为4个，每个滑动轮上均固定有圆形磁铁，可将编码式扫查工装20通过磁吸方式固定在待检测部位表面，四个滑动轮分别位于所述编码器扫查工装201的四个角；夹持装置202将相控阵超声探头102固定在所述编码式扫查工装20上，并通过弹簧装置给相控阵超声探头102施加一定的耦合压力，确保其与待检测部位表面在扫查过程中良好耦合，夹持装置202通过其左右两侧壁面的螺纹孔采用旋紧螺丝与相控阵超声探头102楔块上的固定孔连接。
如图4所示，本发明实施例中的校准试块30包括校准试块基体301和刻槽302。校准试块基体301的形状和外形尺寸与待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔相同，材质、声速、声阻抗与待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔相同或相近，可采用车床、铣床等方式加工而成，表面粗糙度应与待检测部位表面接近。刻槽302加工在透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位，用于模拟易出现的缺陷形式、大小、位置、走向等特征，一般加工在沉孔内表面倒圆处，采用电火花加工，间距至少应保证相邻刻槽的超声信号不会相互影响，走向垂直于或与所述拉杆螺栓沉孔轴向成设定夹角。
如图5所示，本发明实施例中的超声信号发射采集装置40包括发射模块401、采集模块402和处理模块403。发射模块401用于发射一定重复频率的脉冲电信号，对超声探头10进行激励使其产生超声波；采集模块402用于接收超声探头10返回的超声信号，并将其由模拟信号转化为数字信号并进行存储记录；处理模块403对所述数字信号进行校准、滤波、降噪、变换等操作，并通过波形或图像形式显示出来，一般应能将所述数字信号以A扫描、C扫描和S扫描等方式进行显示，便于对缺陷的位置、大小、走向等进行定量分析。
参照图6，本发明又一实施例所提供的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测方法包括：
S501：将超声探头固定在编码式扫查工装上，并将超声探头、编码式扫查工装与超声信号发射采集装置连接。
S502：将编码式扫查工装固定在校准试块待检测部位表面，并保证超声探头的良好耦合，通过超声信号发射采集装置激励超声探头产生超声波并对待检测部位的刻槽进行扫查并找到最高波，校准和设置超声检测的灵敏度。
S503：将编码式扫查工装和超声探头固定在透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位表面，推动编码式扫查工装带动超声探头进行扫查，在扫查过程中通过轮式编码器实时记录超声探头的位置及扫查距离，若待检测部位的反射回波超过基准，通过超声波的传播时间、检测角度等确定缺陷位置，并对缺陷进行定量。
所述超声检测方法中，S502中：如超声探头采用纵波直探头或小角度纵波直探头，则从待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔校准试块的端面进行校准和设置超声检测灵敏度，不使用编码式扫查工装。S503中：如超声探头采用纵波直探头或小角度纵波直探头，则从待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔端面进行扫查，不使用编码式扫查工装。
所述超声检测方法中，相控阵超声探头的聚焦方式采用投影聚焦方式，将投影聚焦位置设置在待检测部位附近。
应说明的是：上述实施例仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，包括超声探头、编码式扫查工装、校准试块和超声信号发射采集装置；所述超声探头安装在所述编码式扫查工装上，所述超声探头与所述编码式扫查工装均与所述超声信号发射采集装置连接；
所述超声探头，通过所述编码式扫查工装耦合于透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位表面，受所述超声信号发射采集装置激励而发射超声波，并对所述透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位返回的超声波进行接收，将所述超声波转换为超声信号发送给所述超声信号发射采集装置；
所述编码式扫查工装，用于夹持所述超声探头，并对所述超声探头的位置和扫查速度进行记录；
所述校准试块，用于标定所述超声探头的分辨力和定位精度，并对所述超声探头的检测灵敏度进行校准；
所述超声信号发射采集装置，用于发射、接收及处理超声信号，并将超声信号通过图像化的方式展示出来。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，所述超声探头包括常规超声探头和相控阵超声探头；
所述常规超声探头，用于从透平轮盘端面对拉杆螺栓沉孔缺陷进行检测，采用纵波直探头或小角度纵波直探头；
所述相控阵超声探头，用于从透平轮盘圆弧面对拉杆螺栓沉孔缺陷进行检测，采用线阵或面阵的横波相控阵超声探头。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，小角度纵波直探头的入射角为5-8°；
纵波直探头或小角度纵波直探头的检测灵敏度低于相控阵超声探头检测灵敏度。
4.根据权利要求2所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，相控阵超声探头阵元数量不小于16。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，所述编码式扫查工装包括轮式编码器和夹持装置；
所述轮式编码器，用于将所述超声探头的位置和扫查速度等信息转化为电信号，并将所述电信号传输给所述超声信号采集装置；
所述轮式编码器为1个，集成于所述编码式扫查工装的滑动轮之一上，所述滑动轮为4个，分别位置所述编码器扫查工装的四个角；
所述夹持装置，用于将所述超声探头固定在所述编码式扫查工装上，并确保其与待检测部位表面在扫查过程中良好耦合。
6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，所述校准试块包括校准试块基体和刻槽；
所述校准试块基体的形状和外形尺寸与待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔相同，所述校准试块基体的材质、声速、声阻抗与待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔相同或相近；
所述刻槽加工在透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位，用于模拟易出现的缺陷形式、大小、位置和走向特征。
7.根据权利要求6所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，刻槽采用电火花加工方法加工，刻槽的走向垂直于或与所述拉杆螺栓沉孔轴向成设定夹角，且成设定夹角的刻槽缺陷如采用常规超声检测时，采用小角度纵波直探头进行检测；
成设定夹角的刻槽缺陷如采用常规超声检测时，应采用小角度纵波探头进行检测。
8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测系统，其特征在于，所述超声信号发射采集装置包括发射模块、采集模块和处理模块；
所述发射模块，用于发射一定重复频率的脉冲电信号，对所述超声探头进行激励使其产生超声波；
所述采集模块，用于接收所述超声探头返回的超声信号，并将其由模拟信号转化为数字信号并进行存储记录；
所述处理模块，用于对所述数字信号进行校准、滤波、降噪、变换等操作，并通过波形或图像形式显示出来。
9.一种燃气轮机透平轮盘拉杆螺栓沉孔超声检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至8中任一项所述的一种燃气轮机压气机叶轮叶根槽相控阵超声检测系统，包括以下步骤：
步骤一：将超声探头固定在编码式扫查工装上，并将超声探头、编码式扫查工装与超声信号发射采集装置连接；
步骤二：将编码式扫查工装固定在校准试块待检测部位表面，并保证超声探头的良好耦合，通过超声信号发射采集装置激励超声探头产生超声波并对待检测部位的刻槽进行扫查并找到最高波，校准和设置超声检测的灵敏度；
步骤三：将编码式扫查工装和超声探头固定在透平轮盘拉杆螺栓沉孔待检测部位表面，推动编码式扫查工装带动超声探头进行扫查，在扫查过程中通过轮式编码器实时记录超声探头的位置及扫查距离，若待检测部位的反射回波超过基准，通过超声波的传播时间、检测角度等确定缺陷位置，并对缺陷进行定量。
10.根据权利要求9所述的一种燃气轮机压气机叶轮叶根槽相控阵超声检测方法，其特征在于，步骤二中，如超声探头采用纵波直探头或小角度纵波直探头，则从待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔校准试块的端面进行校准和设置超声检测灵敏度，不使用编码式扫查工装；步骤三中，如超声探头采用纵波直探头或小角度纵波直探头，则从待检测透平轮盘拉杆螺栓沉孔端面进行扫查，不使用编码式扫查工装；
相控阵超声探头的聚焦方式采用投影聚焦方式，将投影聚焦位置设置在待检测部位附近。
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