转子中心孔内表面裂纹检测方法
张彦新，周国亮
河北省电力试验研究所，河北石家庄050021
汽轮机、发电机转子是由钢坯锻制而成，而钢坯中的缺陷大多集中在中心部位，镗中心孔的目的就是用来消除铸造过程中造成的中心部位的缺陷。但由于锻件中心部位的白点、偏析、夹杂、气孔等铸造缺陷存在一定的分散度，镗中心孔时难以消除干净，中心孔表面及近表面可能有缺陷残留。大轴系高速转动部件，内孔表面承受较大的切向应力和径向应力。大轴长期运行后，可能在缺陷部位产生轴向或斜轴向裂纹并扩展，如不及时检测出来并采取有效措施，就可能因裂纹扩展太大导致转子报废甚至发生转子飞裂事故，影响机组安全运行。
《金属技术监督规程》规定，机组大修中汽轮机、发电机转子中心部位要进行检查，尤其对国产200 MW机组和使用时间超过10万h、容量为50 MW以上的机组，必须进行中心孔检查，包括大轴材料内部缺陷超声波探伤和表面缺陷，特别是表面裂纹的检测。因此，转子中心孔表面缺陷，尤其是表面裂纹的检验是一项非常重要的检验项目。以下笔者将对几种常见的无损检测方法进行详细介绍及比较。
1 转子中心孔内表面缺陷的常用无损检测方法
1.1 光纤内窥镜、视频内窥镜、摄像闭路电视
光纤内窥镜利用光导纤维来传送光能及图像信息，它一般由成像部分、传像部分和观察部分组成，使用方便，用途广泛，但是分辨力不够高，检验图像不够清晰，这主要是由光纤传像束的固有结构特征造成的。在光纤内窥镜传像束中，每一根光纤都为目镜传送一部分检测图像，而在各个光纤之间则有一个很小的空间，成为任何图像或光线的空档。这些细小的黑暗空隙，会形成一个“蜂房”或网格图形，因而增加目镜图像的颗粒状，使图像模糊不清。
和光纤内窥镜相比，视频内窥镜可提供较清晰、分辨力较高的图像。视频成像系统包括探测头、图像处理器及用于显示图像的视频监视器3部分。它用1只位于探测头端部的非常小的CCD（或称为电荷耦合器件）传感器来代替光纤，将图像导入目镜。
摄像闭路电视在工业上应用非常普遍，其对摄像机的技术性能一般并无特殊要求，闭路电视应用在转子中心孔检验方面要求摄像机外型尺寸要小，质量要轻，能进入转子中心孔，并要配备灵活方便的自动和手动驱动机构使其能进行灵活的周向和轴向扫查，还须具有相应的连接和固定结构。
以上几种视频图像观察的方法只能发现肉眼可见的缺陷，提供粗略的、宏观的检验结果，如缺陷基本形貌、长度、走向、位置等数据，不能检验裂纹深度，且灵敏度低，不能检测由于加工等原因而掩盖的内表面缺陷。
1.2 磁粉检测
转子中心孔磁粉检测的原理同其它部件磁粉检测相同，均为将高磁导率的磁粉施加至被磁化工件，工件缺陷部分产生漏磁场从而形成磁痕。这种表面缺陷检验方法的灵敏度和可靠性已被实践所证明。对于转子来说，磁粉检验一般采用芯杆法（中心导体法）或远距离操作的电磁轭磁化方法进行磁化，多用铝棒或胶皮电缆穿入中心孔内，在2端通以电流做周向磁化。而磁悬液则是通过压力泵注入导管，由铜喷头朝向中心孔上半圆周面喷洒，在逐次连续磁化过程中，磁悬液喷头从一端移至另一端，应使整个中心孔内表面上半部均匀喷上磁悬液，然后用窥膛仪或闭路电视进行观察。上半圆检测后，再将转子转动180°，依上述程序检验另外半周。检验完成后要对转子中心孔进行清理，剩磁在1×10－3 T以上者须进行退磁处理。
转子中心孔磁粉检测速度快、效率高、灵敏度高，但设备、工艺比较复杂，难以操作，且在中心孔一端堵头不拆卸的情况下不能使用，磁粉检测干扰因素多，不能检测裂纹深度，定性亦较困难。
1.3 超声波检测
超声波检测的原理是采用表面波，表面波对于表面上的复层、油污、不光洁等反应敏感，并被大量衰减。利用表面波测定缺陷深度有2种方法：
a. 表面波入射到上表面开口缺陷时，会产生一个反射回波，其波高与缺陷深度有关，当缺陷深度较小时，波高随缺陷深度增加而升高，这种方法只适用于测试深度较小的表面开口缺陷。当缺陷深度超过2倍波长时，测试误差较大。
b. 利用表面波在缺陷开口处和尖端处产生的2个反射回波及回波前沿所对应的仪器水平刻度差值来确定缺陷深度，此法适用于深度较大的开口缺陷。缺陷深度太小、缺陷表面过于粗糙会导致测试误差增加。如果缺陷中充满了油或水，误差会更大。
1.4 涡流检测
转子中心孔内表面涡流检测系统一般由机械驱动机构、模拟涡流电路、数字接口和1台具有存贮功能的计算机组成。涡流检测的基本原理是：将交变电流的2个相同的检测线圈置于金属管内，根据电磁感应定律可知在靠近线圈的孔内壁上将被感应出涡流。该涡流也产生一个与原磁场变化方向相反的磁场，并部分抵消原磁场，导致检测线圈阻抗发生变化。当管壁上存在缺陷时，就会产生磁场突变，突变的磁场使检测线圈的阻抗也发生突变，检测出这个变化就可检测出缺陷。涡流检测是目前应用于转子中心孔内表面质量全面检测的最通用检测方法。
涡流检测可分为单频和多频涡流检测，单频涡流检测只能显示涡流信号的幅值变化，不能抑制，不能区别提离、抖动等干扰信号，定性、定量均有一定困难。多频涡流检测技术的发展对上述问题做了较好的解决，多频涡流检测就是用几种不同频率同时激励探头，具有阻抗平面图形相位显示和条纹幅值显示功能。根据不同频率激励信号所取得的测量结果，通过实时矢量相加减和处理，抑制不需要的干扰信号，具有“去伪存真”的功能，阻抗分析能在检测中分离出探头摆动信号和提离信号等的干扰。
涡流检验的特点是检测速度快、缺陷灵敏度高、使用方便，缺点是不能准确区分缺陷性质、受干扰因素多、不确定性大。
1.5 漏磁检测
当铁磁性材料被磁场磁化时，其表面及近表面的裂纹等缺陷就会产生漏磁场，其强度大小与缺陷尺寸有关，因此只要能检测出缺陷处的漏磁场强度（包括垂直分量和水平分量），就可以由此得知缺陷性质及尺寸。漏磁场检测的原理判定程序如下：
a. 使用特斯拉计或x—y记录仪，绘制Hy或Hx分量的分布曲线。
b. 根据Hy及Hx的记录数据，采用等效带偶极子模拟方法进行计算，并辅以标准试样的结果对照，从而判定裂纹深度及宽度。
c. (Hγ)x=(Hγ)-x时，γ=0,裂纹与表面垂直；(Hγ)x＞(Hγ) -x时，裂纹与表面法线成γ角，并向+x轴方向倾斜； (Hγ)x＜(Hγ)-x时，裂纹与表面法线成γ角，并向-x轴方向倾斜。
通过对漏磁场信号的分检及计算机处理，可以测出缺陷的等效深度、等效宽度和等效倾角，从而确定表面裂纹的位置和形状。
目前使用的磁场检测装置一般以检测漏磁场的垂直分量为主，也有检测水平分量的装置。漏磁场法裂纹深度测量装置一般由励磁部分、传感元件（如霍尔元件）、指示仪表3部分组成。其中激励源的选择、磁敏元件的设计及其布置是能否准确提取裂纹漏磁的关键。激励源可以采用恒定磁场或变化的电磁场，磁敏元件则需根据转子中心孔的实际情况自行设计。另外，计算机、神经网络方法等新技术的应用使从有干扰的实测信号中提取的漏磁信号更为准确，信号的转换、处理结果更为逼真，从而为漏磁场法测定裂纹深度提供了可靠的技术基础。
2 结论
以上是目前国内转子中心孔内表面缺陷（尤其是裂纹）的几种主要检测方法，这几种方法对转子中心孔内表面缺陷检验都是适用、有效的，各有其应用上的不足和局限性。其中视频检测、磁粉检测、超声波检测均为较常用的转子中心孔内表面缺陷检测手段。涡流检测和漏磁检测为近年来出现的新的表面缺陷检验手段，与传统方法相比有一定的优越性，但其可靠性、可操作性等问题还未被广泛认可，有待进一步研究验证。因此，在汽轮机、发电机转子中心孔内表面的实际检验过程中，需要根据转子检验的实际要求，选择合适的检验方案，充分发挥这几种检验方法的优势，把转子中心孔表面缺陷检验工作做得更好。在采用某一种方法的检验过程中如确有缺陷信号显示，一般应选用其它检验方法进行复合，以确保检验结果的可靠性。
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