燃气轮机燃烧室用陶瓷瓦块的定量无损检测方法研究

冯志源 王晗 宋艳艳 范沐旭 张涛 武刚

中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室 河南洛阳471039

燃烧室是整个燃气轮机所有部件中运行温度最高的部件之一，工作环境极其恶劣。作为当前世界三大燃气轮机制造商之一，西门子的E级和F级燃气轮机的环形燃烧室都采用了陶瓷隔热瓦块来保护金属壳体［1-2］。在使用过程中，陶瓷瓦块不仅要承受长时间的高温腐蚀，还需要承受巨大的热应力和高温气流的冲刷。如果燃烧室众多陶瓷瓦块中有一块因质量问题出现局部剥落，将会在高速气流作用下进入燃机透平，造成叶片损伤，导致巨大损失。因此，在陶瓷瓦块使用前对其性能进行无损检测和定量评估具有重要意义。

当前的无损检测方法有声频法和声速法等［3-5］，一般用于定性分析材料的内部缺陷，很少用来判断材料性能的优劣。在本研究中，首先利用激振法测试了相同尺寸规格陶瓷瓦块的弹性模量（记为E’），再按GB／T 30758—2014制样检测了瓦块的弹性模量实侧值（记为E），并对两者进行数据拟合。在对E’测试时，其频谱图能够直接判断陶瓷瓦块内部是否有缺陷，实现无损检测；同时，基于无机材料弹性模量与其力学性能和抗热冲击性能的对应关系［6］，通过该模型推算出的E值能够定量评价陶瓷瓦块的弹性模量。

1 测试原理

通过脉冲激振法测试弹性模量的原理是［7］：冲击器敲击合适几何形状的试样后，测试试样的弯曲共振频率，弹性模量与试样的固有频率、试样尺寸和质量有关，在测出试样的固有频率后即可通过相关公式计算试样的弹性模量。试样的基频振动见图1［8］，L为试样棒的长度，节点位置（振幅为0处）分别在试样棒的0．224L和0．776L处。对于形状复杂的试样，当在试样中心位置施加机械力作用后，中心位置和试样的端部为反节点位置，此处试样振幅最大，分别为非接触测量时的振动激发点和频率采集点。

图1 基频振动波形图

基于上述原理测试试样的弹性模量，图2［7］示出了测试设备的结构。将试样放置在支撑系统上，支撑点位于节点处，用冲击器对试样的敲击位置进行敲打，在接收位置采集振动信号，通过分析转换，输出试样的共振频率，计算其弹性模量。

图2 测试设备结构原理图

2 试验方案

2．1 无损检测

通过分析整块陶瓷瓦块试样测试过程中的频谱图变化，判断试样的内部缺陷。

2．2 定量分析

（1）陶瓷瓦块试样共9组，每组3块。在外弧形面上标记0～8共九个测试点，分布见图3。以8为敲击位置，在0～7位置接收频率，每个位置采集3次，计算其平均值。比较9组试样（编号分别为1＃～9＃）各接收点的频率变化及稳定情况，进而确定接收位置。再通过所确定的接收位置来接收试样的振动信号，计算其弹性模量E’。

图3 陶瓷瓦弹性模量测试点分布图

（2）再将9组陶瓷瓦块整砖试样制成160 mm× 40 mm×30 mm的试样，按GB／T 30758—2014测试弹性模量实测值E。

（3）对E’和E的值进行数据拟合，建立二者之间的定量关系，进而以激振法测试的弹性模量值计算材料的弹性模量。

3 结果与分析

3．1 弹性模量与无损测试

采用脉冲激振法测试材料的弹性模量。试样受机械冲击后处于振动状态，随着阻尼作用的发生，试样振动衰减，当衰减至某一程度时试样发生共振；但当试样内部存在缺陷时，在试样受到机械冲击后，缺陷部位对振动波的反射导致试样难以产生共振，此即测试的基础原理。如图4所示，大多数试样在敲击过程中频谱图以主单峰显示，极少部分试样的频谱图呈多峰状态，将频谱图呈多峰状态的试样切开后发现有明显的裂纹缺陷。因此，在用脉冲激振法测试整砖的弹性模量时，可以根据频谱图判断材料的内部缺陷［9］。

图4 整块陶瓷瓦块试样频谱图

3．2 弹性模量与定量分析

不同接收位置的频率数据见表1。由表1数据可知，在敲击点8激发试样振动，采集点1和点5的频率值基本一致，其余接收点的频率变化较大，可能是由于试样形状不规则所导致；且2、3、4端和0、7、6端存在滑轨凹槽设计，造成这些接收点的频率差异较大。因此，敲击点为8时，确定点1和点5为接收振动信号的位置较为合适。

表1 不同接收位置频率

激振法测得瓦块（位置8处敲击，1、5处接收信号）的弹性模量E’和按GB／T 30758—2014实测的弹性模量E的数值见表2。表2中E’（位置1的E’与位置5的E’的平均值）和E的数据拟合结果见图5。

表2 激振法与按标准方法实测的弹性模量

图5 E’与E拟合图

由表2可知，E’与E的数值相比，E’整体偏大，相差10%～15%。这可能是由于整砖试样存在滑轨凹槽，对试样的振动产生了一定影响，导致结果变化。从E’与E的拟合结果来看，二者呈线性相关，且决定系数R2高达0．992。

随机挑选相同规格的陶瓷瓦块，利用激振法计算其弹性模量数值，破坏瓦块后再按国标检测其弹性模量实测值。结果显示，计算值与实测值之间的误差小于5%，表明拟合效果很好，可将其应用于陶瓷瓦块使用前的无损检测。

4 结论

（1）整砖弹性模量测试过程中的频谱图可以实现对燃气轮机陶瓷瓦块内部缺陷的无损判断。

（2）在不破坏陶瓷瓦块结构的情况下，通过脉冲激振法测定瓦块的弹性模量，再依据拟合公式可计算陶瓷瓦块的弹性模量。