轉子盤焊縫檢測方法及布置的製作方法

2023-05-15 07:27:51

專利名稱：轉子盤焊縫檢測方法及布置的製作方法
技術領域：
本公開涉及焊縫檢測方法及適當的布置。

背景技術：
通常通過將多個盤焊接在一起來形成轉子，特別是較大型的渦輪機中的轉子。因為在這些機器的運行期間所經受的軸向溫度梯度，因此盤在沿著轉子軸線的不同位置處由不同的材料製成。例如，在其中需要高的抗蠕變強度的轉子的最高溫區段中，可以使用具有面心(face-centred)立方原子結構和高比例的鉻的鎳合金。可使用諸如鉬、鎢和釩的其它合金元素來額外地提高抗蠕變強度。因此在這個區域中的轉子可以包括由鎳合金製成的焊縫焊接在一起的多個鎳合金盤。 在其中可使用具有高屈服強度和剛度的較低成本的材料的低溫度區段中，轉子可由具有體心(body-centred)立方原子結構的鐵素體_馬氏體鋼製成。因此在這個區域中的轉子可以包括由鋼製成的焊縫焊接在一起的多個鋼盤。 在高溫和較低溫區域之間的界面勢壘處，可使用鎳合金的焊縫來將鎳合金盤和鋼盤焊接在一起。 特別是在大型蒸汽輪機或燃氣輪機的轉子的情況下，單個轉子盤之間的焊縫的質量對於確保轉子的機械完整性而言是至關重要的。因此，非常需要的是使用諸如超聲波或同位素檢測的非破壞性檢測方法，儘可能精確地且分辨度儘可能高地對焊縫進行缺陷檢測。這可能涉及使檢測信號傳播通過朝連接焊縫成角度或通過連接焊縫的轉子的外表面。
與同位素方法相比，超聲波檢測方法具有顯著的優點。但是，超聲波檢測信號的衰減可能會降低檢測方法的分辨度，特別是在遠離檢測信號源的焊縫的檢測點處，從而使檢測方法失效。有許多導致衰減的原因。其中一個原因是一些材料(例如鎳合金)中的高衰減。反射和折射是另一個原因，而且當超聲波傳播通過具有不同的原子結構的兩種材料時最為明顯，例如從具有低衰減特性的鋼進入鎳合金製成的焊縫中時。雖然與穿過原子結構邊界的程度不同，但是另外的衰減也可能會發生在整個微結構界面上，例如在鎳合金盤和鎳焊縫之間。 在盤的製造期間，為了確保最優的機械特性，盤會經歷大量熱處理和準備步驟。相反，雖然焊縫可能具有與盤相同的材料成分，但是焊縫不會經歷相同的熱處理步驟。因此，在盤和焊縫之間會產生偽鍛鑄邊界和因此產生的微結構差異，其中焊縫金屬顯示出"鑄造"特性，而盤則顯示出"鍛造"特性。由於超聲波檢測信號從鎳合金盤傳播通過鎳焊縫，所以在盤/焊縫微結構界面處發生衰減。 雖然使用同位素放射的檢測方法不會經受與使用超聲波的檢測方法相同的衰減和反射/折射問題，但已知的是同位素放射的角度從正被檢測的焊縫的徑向中心線僅偏離幾度。因此，同位素檢測方法在確定任何缺陷的尺寸和深度的能力方面受到限制。由於修復缺陷焊縫的正常過程是僅將有缺陷的焊縫部分移除，缺陷的不精確的定位使得必將移除比必需的量更多的焊縫。

發明內容
本公開提供了用於檢測連接轉子盤的焊縫中的缺陷的改進的檢測方法。 通過獨立權利要求的主題來解決此問題。從屬權利要求中給出了有利的實施例。
本公開是基於這樣的總體構思的，即最大程度地減小檢測信號必須傳播的距離，
以便通過在轉子盤中設置槽來檢測焊縫的全部長度，可在槽中容納檢測信號源。 本公開的一個方面提供用於檢測使第一轉子盤連接到第二轉子盤上的焊縫的方
法，第一轉子盤由鎳合金製成，並且具有與轉子的縱向軸線同心的內表面和外表面，第二轉
子盤包括與轉子的縱向軸線同心的內表面和外表面。由鎳合金製成的焊縫填充轉子盤之間
的徑向間隙，且具有與轉子盤中的任何一個轉子盤不同的微結構。該方法包括以下步驟 a)在所述第一轉子盤中形成至少一個槽，該至少一個槽從所述第一轉子盤的所述
內表面或所述外表面部分地通過所述第一轉子盤；以及 b)將檢測信號從所述第一槽傳播到焊縫，以便檢測焊縫的缺陷。 與其中檢測信號源自轉子的外表面的方法相比，槽允許減小檢測信號流路徑長
度。當檢測信號為超聲波檢測裝置時，由盤的鎳合金所造成的檢測信號衰減效應以及在焊
縫_盤邊界處的微結構界面的反射/折射得到減輕。 就同位素放射應用而言，同位素源可設置在一個盤的槽中，而同位素膜則可設置
在另一個盤的槽中，或者備選地設置在其它盤的表面上。在此布置中，當放射從同位素源傳
播到同位素膜時，放射穿過焊縫的至少部分，從而使得能夠交叉定位缺陷，與通過焊縫的徑
向深度且沒有軸向方向的構件的檢測相比，能夠改進定位缺陷的能力。另外，避免了接近焊
縫的兩個徑向端的需要。這樣就避免了在一個焊縫端定位同位素源，且在另一個焊縫端處
定位同位素膜的需要。這是特別有利的，因為通常不可能接近焊縫的內側端。 在檢測焊縫金屬之後，可將槽結合到轉子盤的其它特徵中，例如用於渦輪葉片根
部的安裝通道。在這個情況下，在檢測連接焊縫之後，槽僅可部分地填充有焊縫填充物，以
恢復轉子局部厚度，否則槽可能被全部填滿。這樣，轉子盤的所需的金屬厚度和強度可在檢
測之後恢復，從而使得轉子盤的工作性能不會受槽形成的損害。 如果槽的深度太深，以致轉子盤的機械強度受損，使得需要用於填充槽的焊縫填充物的完整性來執行結構性功能。在這種情況下，填充物本身也會受到檢測。為了避免額外的檢測步驟，本發明的另一個方面提供的是，槽或各個槽延伸通過不超過槽形成於其中的徑向盤區深度的一半。 另一方面包括使多個槽形成於第一轉子盤，第二轉子盤，或者第一和第二轉子盤兩者中。這種布置使得在需要考慮機械完整性之前就增加了槽深度。在一方面中，多個槽是孔的形式。 本公開的又一方面提供了渦輪轉子，包括第一轉子盤，包括與轉子的縱向軸線同心的內表面和外表面；第二轉子盤，包括與轉子的縱向軸線同心的內表面和外表面；以及填充所述轉子盤之間的徑向間隙且具有與轉子盤不同的微結構的焊縫。渦輪轉子的特徵在於至少一個槽，該至少一個槽構造成容納檢測信號源，該槽從轉子盤的外表面或內表面部分地延伸通過盤，且在該盤中終止，其中，焊縫徑向中點和槽之間的距離小於焊縫徑向中點與轉子表面中的任何一個表面之間的距離。這使得能夠通過改善信號衰減問題來減小焊縫檢測信號路徑長度。
根據結合附圖的以下描述，本公開的其它目的和優點將變得清楚，其中以說明和實例的方式對本公開的實施例進行公開。
附圖簡述 下文參照附圖以實例的方式對實施例進行了更加完整的描述，其中

圖1是顯示了根據本公開的實施例的帶有槽的轉子盤的兩個焊接後的轉子盤的
截面圖； 圖2是顯示了根據本公開的實施例的帶有多個槽的轉子盤的兩個焊接後的轉子
盤的截面圖3是顯示了焊縫正被超聲波檢測的圖1或圖2的轉子盤的展開圖；圖4是顯示了焊縫正被同位素放射檢測的圖1或圖2的轉子盤的展開圖；圖5是顯示了填充後的焊縫的根據本公開的實施例的帶有槽的轉子盤的展開圖。部件列表io第一轉子盤ll第一轉子盤的外表面12第一轉子盤的內表面15第二轉子盤16第二轉子盤的外表面17轉子盤的內表面20第一轉子盤中的槽22第二轉子盤中的槽24填充後的槽25帶有連接轉子盤的焊縫填充物的焊縫26焊縫徑向中點27焊縫缺陷30超聲波檢測裝置32超聲波35同位素源37同位素膜38同位素放射A軸向方向R徑向方向L焊縫長度LA轉子和轉子盤縱向軸線SD槽深度WD徑向焊縫深度
具體實施例方式
現在參照附圖對本公開的優選實施例進行描述，其中相同的標號始終用來指相同元件。在以下描述中，出於說明目的，對許多特定細節進行闡述，以便提供對本公開的全面理解。但是，顯而易見的是可在沒有這些特定細節的情況下實施本公開。
圖1顯示了第一轉子盤10焊接到第二轉子盤15上，其中焊縫25填充兩個轉子盤10、15之間的徑向間隙。第一轉子盤10和焊縫25兩者均由鎳合金製成，但是，由於它們在製造期間的不同熱處理，第一轉子盤和焊縫具有不同的微結構。第一轉子盤10具有通常由鍛造產生的微結構，而焊縫25則具有通常由鑄造產生的微結構。儘管圖l還顯示了具有不同原子結構的轉子盤10、 15，例如，第一轉子盤10由鎳合金製成，且具有面心原子結構，而第二轉子盤15由鋼合金製成，且具有體心原子結構，但盤10、15兩者均可由鎳合金構造。
第一轉子盤10具有與轉子的縱向軸線LA同心的內表面12和外表面11。在圖1所示的實施例中，槽20形成於第一轉子盤10中，槽20從外表面11延伸到轉子盤10中，且在轉子盤10中終止，以便僅部分地延伸通過轉子盤10的深度。槽20還圍繞轉子盤10周向地延伸。然而，槽20還可從內表面12延伸，或者備選地在第一轉子盤10的內表面12和外表面ll兩者中延伸，而始終不延伸通過轉子盤lO的全部深度，即，槽20僅部分地延伸到轉子盤10中。 第二轉子盤15也具有與轉子的縱向軸線LA同心的內表面17和外表面16。在圖1所示的實施例中，槽22形成於第二轉子盤15中，槽22從外表面16延伸到轉子盤15中，且在轉子盤15中終止，以便僅部分地延伸通過轉子盤15的深度。槽22還圍繞轉子盤15周向地延伸。然而，槽22還可形成於內表面17中，或者備選地形成於第二轉子盤15的內表面17和外表面16兩者中，而始終不延伸通過第二轉子盤15的全部深度。
焊縫25通過填充和跨越兩個轉子盤10、15之間的徑向間隙來連接第一轉子盤10和第二轉子盤15，且焊縫25由類似於盤10、15的具有最高的溫度級別的鎳合金製成。
當焊縫25由鎳合金製成，且通過超聲波來檢測，而且槽20和兩個轉子盤10、15分別由鎳合金和鋼製成時，槽20優選地僅形成於第一轉子盤10中。在此布置中，超聲波32不會經歷在槽22形成於第二轉子盤15中而且要求超聲波32穿過在第二轉子盤15的鋼和焊縫25的鎳合金之間形成的原子結構邊界的情況下會發生的衰減水平。
圖2顯示了焊接在一起的圖1的兩個轉子盤10、15。圖2還顯示了根據另一個實施例的形成於轉子盤中的槽20、22。形成於第一轉子盤10的外表面11中的槽20和第二轉子盤15的外表面16中的槽22包括多個孔，這些孔從轉子盤10、 15的外表面11、16延伸到轉子盤10、 15中，沿轉子盤10、15周向地分布。雖然顯示了槽20、22從轉子盤10、 15的外表面11、16延伸，但是多個槽20、22還可形成於內表面12、17中，或者備選地形成於轉子盤10、15的內表面12、17和外表面11、16中，而始終不延伸通過轉子盤10、15的全部深度。
取決於檢測焊縫缺陷27所使用的檢測方法的要求，孔形式的槽20可僅形成於轉子盤10、15中的一個盤中。這是例如當檢測裝置為結合了源和檢測器兩者的超聲波檢測裝置30時的情況。 圖3顯示了插入本公開的實施例的第一轉子盤20中的槽中的超聲波檢測裝置30。從超聲波檢測裝置30中發射出的超聲波32從槽20傳播到焊縫25。超聲波檢測裝置30由穿過徑向焊縫深度WD的超聲波32的反射來檢測焊縫缺陷27。 圖4顯示了插入第一轉子盤10的槽20中的同位素源35和插入第二轉子盤15的槽22中的同位素膜37。還顯示了通過使同位素放射38從同位素源35發射，通過焊縫25到達插入第二盤15的槽22中的同位素膜37，來檢測焊縫25的缺陷27。
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圖5顯示了在檢測焊縫25之後被填充的槽24。 在各個示例的實施例中，槽的深度SD優選地不超過通過槽20、22被製成的區域的轉子盤10、 15的徑向深度的一半深度。這確保槽20、22不會對盤10、 15的完整性產生主要的材料作用。另外，雖然槽20、22優選地設置在焊縫25附近，以便最大程度地減小檢測信號的衰減，但是槽20、22不應該太靠近焊縫25，以致槽20、22可能會影響焊縫完整性。在示例性實施例中，通過使焊縫徑向中點26和槽20、22之間的距離小於焊縫徑向中點26和轉子表面中的任何一個表面之間的距離來實現這一點。這使得能夠通過改善信號衰減問題來減小焊縫檢測信號路徑長度。另外，槽20、22還可採用任何適當的形式，包括腔體、？L和凹槽，而且在各種情況下，槽20、22構造成能夠容納檢測信號源，例如同位素源35或超聲波檢測裝置30和/或檢測信號膜，例如同位素膜37。 雖然本文已經在設想為最實際和優選的實施例中對本公開進行了顯示和描述，但是應當認識到，可在本公開的範圍內進行變型，此範圍不限於本文所述的細節，而是與權利要求書的完全範圍一致，以便包括任何和所有等效裝置和設備。例如，雖然本公開特別適於蒸汽輪機，因為蒸汽輪機具有相對厚的轉子，但是本公開的特徵也可應用於其它機器例如燃氣輪機的轉子。
權利要求
一種用於檢測焊縫(25)的方法，所述焊縫(25)使第一轉子盤(10)連接到第二轉子盤(15)上，所述第一轉子盤(10)由鎳合金製成，且具有與轉子的縱向軸線(LA)同心的內表面(12)和外表面(11)，所述第二轉子盤(15)包括與所述轉子的縱向軸線(LA)同心的內表面(17)和外表面(16)，其中，由鎳合金製成的所述焊縫(25)填充所述轉子盤(10，15)之間的徑向間隙，所述焊縫(25)具有與所述轉子盤(10，15)中的任何一個轉子盤不同的微結構，所述方法的特徵在於以下步驟a)在所述第一轉子盤(10)中形成至少一個槽(20)，所述至少一個槽(20)從所述第一轉子盤(10)的所述內表面(12)或所述外表面(11)部分地通過所述第一轉子盤(10)；以及b)將檢測信號從所述第一槽(20)傳播到所述焊縫(25)，以便檢測所述焊縫(25)的缺陷(27)。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述第一轉子盤(10)和所述第二轉子盤 (15)的原子結構是不同的。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，步驟a)還包括在所述第二轉子盤(15) 中形成至少一個槽(22)，所述至少一個槽(22)通過所述第二轉子盤(15)的所述內表 面(17)或所述外表面(16)部分地延伸通過所述第二轉子盤(15)。
4. 根據權利要求1或3所述的方法，其特徵在於，多個槽(20， 22)形成於所述第一轉子 盤(IO)，所述第二轉子盤(15)或者所述第一轉子盤(10)和所述第二轉子盤(15)兩者中。
5. 根據權利要求l或4所述的方法，其特徵在於，在步驟b)之後包括用焊縫填充物至 少部分地填充所述槽(20,22)或各所述槽(20,22)的步驟。
6. 根據權利要求1或4所述的方法，其特徵在於，所述槽(20， 22)或各所述槽(20， 22) 延伸不超過徑向焊縫深度(WD)的一半。
7. 根據權利要求1至6中的任何一項所述的方法，其特徵在於，所述檢測信號是超聲波。
8. 根據權利要求1至7中的任何一項所述的方法，其特徵在於，所述第一轉子盤(10) 具有面心原子結構。
9. 根據權利要求1或8所述的方法，其特徵在於，所述第二轉子盤(15)具有體心原子 結構。
10. 根據權利要求1至10中的任何一項所述的方法，其特徵在於，所述轉子盤(10， 15) 是蒸汽輪機轉子盤(10,15)。
11. 一種渦輪轉子，包括第一轉子盤(IO)，包括與所述轉子的縱向軸線(LA)同心的內表面(12)和外表面 (11)，第二轉子盤(15)，包括與所述轉子的縱向軸線(LA)同心的內表面(17)和外表面(16) ，填充所述轉子盤(10,15)之間的徑向間隙且具有與所述轉子盤(10,15)不同的微結構 和徑向深度(WD)的焊縫(25)，其中，所述渦輪轉子的特徵在於至少一個槽(20，22)，所述至少一個槽(20,22)從一個所述表面(12， 17， 11， 16)部分地延伸到所述盤中，且構造成容納檢測信號源(30，35)，其 中，所述槽到所述焊縫徑向中點(26)的距離小於所述表面(12， 17， 11， 16)中的任何一個表 面和所述焊縫徑向中點(26)之間的距離。
全文摘要
本發明提供一種用於檢測使第一轉子盤(10)連接到第二轉子盤(15)上的焊縫(25)的方法，其中，第一轉子盤由鎳合金製成，且具有與轉子的縱向軸線(LA)同心的內表面(12)和外表面(11)，第二轉子盤包括與轉子的縱向軸線同心的內表面(17)和外表面(16)。由鎳合金製成的焊縫填充轉子盤(10，15)間的徑向間隙，且具有與轉子盤(10，15)中的任何一個轉子盤不同的微結構，該方法包括以下步驟在第一轉子盤中形成至少一個槽(20)，該至少一個槽延伸通過第一轉子盤的內表面或外表面，終止在第一轉子盤中；以及將檢測信號從第一槽傳播到焊縫，以便檢測焊縫的缺陷(27)。
文檔編號G01N23/18GK101713764SQ200910206128
公開日2010年5月26日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月1日
發明者A·皮爾謝爾, M·赫佐格, R·B·斯卡林 申請人:阿爾斯託姆科技有限公司