相控阵超声波检测技术革新核电站汽轮机维护
摘要
Constellation公司采用相控阵超声波检测技术对Alstom低压汽轮机进行叶片在位检查，避免了传统方法需要拆除叶片的过程。该技术已在多座核电站成功应用，显著节省了停堆时间、降低了成本和辐射剂量，并获得行业奖项认可。通过与美国电力研究院和Structural Integrity Associates的合作，开发了完整的检测方法和校准程序，为未来更大尺寸汽轮机的检查提供了可复制的经验。
当Constellation公司15年前决定在其三座沸水堆电站安装Alstom低压汽轮机替代品时，其中一个好处是知道新汽轮机应该能够可靠运行数年——且无需进行重大检查。
从左至右：Constellation公司的Chris Gorka、Bill Campbell和Steve Myers出席了2025年核能会议与展览会，团队在会上获得了TIP奖项。（照片：ANS）
经过10-15年的运行后，原始设备制造商的预防性维护要求需要对汽轮机转子的末级（L-0）叶片进行彻底检查，这项工作通常意味着需要拆除每个叶片以检查是否存在应力腐蚀裂纹。预见到这项工作，Constellation公司参考了一家电力公司的做法：在换料停堆期间拆除、检查并重新安装每个200磅重的叶片。
但Constellation公司的企业汽轮机工程和汽轮机服务团队也寻求了一种由美国电力研究院首先验证的替代程序：相控阵超声波检测（PAUT）。使用这种方法，叶片可以保持原位，同时使用超声波无损检测（NDE）来扫描和检查叶片及其"根部和尖顶"连接区域。
Constellation决定为其Alstom汽轮机实施PAUT，首先从Quad Cities-2开始，在2024年春季的换料停堆期间检查了三台Alstom ND48低压汽轮机，相对于传统汽轮机检查，节省了五天关键路径停堆时间。这个初始项目为2025年初在Quad Cities-1以及今年秋季在Dresden-2和Peach Bottom-3的类似工作铺平了道路。在三座电站总共六次停堆中——仅剩Dresden-3和Peach Bottom-2的检查尚未执行——成本和劳动力节省可能超过5000万美元和18个关键路径天数。
Quad Cities的PAUT检查获得了核能研究所颁发的2025年顶级创新实践奖和美国电力研究院颁发的2024年技术转让奖，并证明了PAUT技术可以在验证低压汽轮机完整性的同时节省时间和劳动力。由于叶片保持原位，PAUT还有一个额外的好处：避免了在操作过程中意外损坏叶片或转子的可能性。
太平洋燃气电力公司Diablo Canyon核电站备用汽轮机转子的3D扫描。（照片：Constellation/Jeff Melvin）
这个由美国电力研究院于2018年制造的校准夹具，旨在验证PAUT技术在原位末级叶片上的应用。（照片：EPRI）
Constellation和其他几家电力公司在2018年与美国电力研究院合作评估使用PAUT进行汽轮机检查的潜力，美国电力研究院项目经理Eric Prescott制定了一个技术计划来评估该技术。
首先，美国电力研究院对太平洋燃气电力公司Diablo Canyon核电站的备用转子和备用叶片进行了3D扫描，以开发对这些部件的超声波检测仿真。根据该扫描，美国电力研究院制造了一套转子叶片和叶片连接区域的3D复制品——即校准块。
使用电极放电加工在光滑的金属校准块上引入小凹坑，以模拟运行中汽轮机可能因腐蚀产生的缺陷。一旦复制叶片与复制转子连接件配合，连接区域内的缺陷就被隐藏起来。
美国电力研究院邀请了几家行业无损检测供应商到其实验室进行盲测，以确定无损检测技术人员能否成功检测到隐藏的缺陷。美国电力研究院将成功的测试结果记录在两份报告中：《相控阵检测方法，Alstom ND56R叶片根部和尖顶的原位检测》（2021年；报告ID 3002017102）和《轴向入口汽轮机叶片连接件定制超声波检测的开发》（2021年；报告ID 3002022800）。美国电力研究院研究最后阶段的最终目标是提供一种可由无损检测供应商商业化的方法。
转子叶片和叶片根部的有限元分析显示了更可能易受应力腐蚀裂纹影响的区域。（图片：Constellation/SIA）
Structural Integrity Associates公司受委托将美国电力研究院的方法商业化，用于Constellation的Alstom低压汽轮机。与美国电力研究院的工作相呼应，Constellation和SIA合作对备用叶片进行了3D扫描，然后SIA建立了叶片根部和互锁转子尖顶的3D模型，并对根部和尖顶组件进行了有限元分析，以确定应力腐蚀裂纹最可能发展的区域。
接下来，SIA开发了计算机仿真来验证PAUT扫描路径，并制造了一套新的校准块，这次策略性地将缺陷放置在运行中汽轮机最可能出现的地方。测试证实无损检测技术人员能够检测到缺陷，一旦Quad Cities-2的换料停堆开始，同样的校准块被带到汽轮机平台上，以便对无损检测设备进行现场检查和校准。
SIA为检查开发的扫描路径覆盖了几乎100%的检测区域。检查三台汽轮机中的每一台都涉及检查两组末级叶片，每组位于汽轮机转子的两端。使用PAUT探头和夹具扫描一个转子及其叶片的两端大约需要半天时间，生成包含扫描精确位置和产生信号的数据表。在一次停堆期间，这个检查会重复六次——在三台汽轮机转子的每一端。
需要大量的停堆前准备和协调，以及Constellation供应和联盟组织的支持，这涉及Constellation的企业汽轮机服务、无损检测服务和企业机械工程组织之间的合作。Constellation团队包括企业汽轮机服务的Chris Gorka和Tim Ernst、企业机械工程的Jeff Melvin、联盟的Tim Heindl、无损检测服务的Mike Salley以及商业供应的Jay Akhtar。